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布莱顿临什么海:FRP加固木柱在轴压状态下的研究情况

来源:原创论文网 添加时间:2020-01-21

布莱顿西服 www.ybzmtt.com.cn   摘    要: 采用纤维增强复合材料(FRP)加固后的木柱,具有不增加自重、施工简便、易于替换与修补等优点,同时可为后续的修缮、加固提供有利条件,在木柱加固中具有良好的前景。介绍了FRP在轴心受压状态下对木柱力学性能的影响,分析了FRP加固木柱在不同截面类型下的加固机理,并对现有的轴心抗压强度模型进行了总结。针对目前FRP加固木柱的研究现状,提出了研究之中存在的不足之处并对相关研究提出一些参考建议。

  关键词: 纤维增强复合材料(FRP); 加固; 木柱; 轴压;

  Abstract: The use of fiber reinforced composite materials( FRP) after the reinforcement of the wooden column,with no increase in weight,construction is simple,easy to replace and repair and other advantages,at the same time for the subsequent repair and reinforcement to provide favorable conditions,in the reinforcement of the wooden column has a good prospect. This paper introduces the effect of FRP materials on the mechanical properties of wood columns under axial compression,analyzes the strengthening mechanism of wood columns strengthened with FRP materials under different section types,and summarizes the existing axial compression strength models. In view of the current research situation of FRP strengthened wooden columns,the shortcomings in the research were put forward and some suggestions were put forward.

  Keyword: fiber reinforced composite(FRP); reinforcement; wooden poles; axial compression;

  0 、引言

  纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP),是由基体材料与纤维材料按一定的比例经成型工艺复合形成,FRP具有高比强度、高模量、抗腐蚀、耐疲劳等优点。FRP始自于20世纪40年代,但由于受到工艺水平和技术成本的限制,仅应用于军事、航天等高精端领域。自20世纪80年代起随着工艺水平的提升并且FRP具有提高结构的横向拉伸强度和剪切强度等优势,因此FRP被逐步应用于土木工程的领域之中,例如在1981年Meier首次采用碳纤维增强复合材料对桥梁结构进行加固研究[1]。我国在1997年开始引进FRP对土木工程中的建筑构件进行加固,2000年在北京举办了首届FRP混凝土结构学术交流会,为在我国推广及应用FRP加固技术起到了重要作用[2]。在建筑工程领域中,柱作为结构体系里重要的组成部分,决定结构的整体安全性。传统木柱的加固方法主要有剔补、墩接加固、化学灌浆、附加断面法、加铁箍法等,但传统加固技术施工复杂且容易对木柱造成不可逆的损伤。采用FRP加固后的木柱,不增加自重、施工简便、易于替换与修补,同时可为后续的修缮、加固提供有利条件。因此,采用FRP加固木柱具有重要意义。本文针对现阶段FRP加固木柱在轴压状态下的研究情况进行概述,总结以往学者的研究,并提出几点建议。
 

FRP加固木柱在轴压状态下的研究情况
 

  1、 FRP类型及其性能

  FRP常见种类有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等。FRP主要形式可分为管材、筋材和片材,其中片材分为纤维布和FRP板。目前,FRP相关的加固实际应用与研究多采用纤维布的形式,是由于纤维布的柔韧性较好,适用于不同截面类型的构件并且可现场进行裁剪加固工作,对施工环境和操作工艺要求相对较低,因此被广泛应用于加固混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等,纤维布的主要类型及其力学指标如表1所示[3]。

  表1 纤维布的主要力学性能指标
表1 纤维布的主要力学性能指标

  2 、FRP对加固木柱的轴压性能试验研究

  现阶段试验研究多针对于在轴心受压状态下采用FRP加固木柱,研究不同粘贴层数及粘贴方式对木柱的力学性能的影响,如图1,图2所示[4]。详细探究加固木柱在轴压状态下的破坏形态、极限承载力、轴心抗压强度、延性系数、刚度、荷载—位移曲线、荷载—应变曲线等力学特性,并得出相应的结论,为FRP加固木柱应用于实际工程之中提供可靠的依据和参考。


  FRP约束木柱具有良好的约束性能。通过对比未加固柱与加固柱的荷载—应变曲线,可观察到未加固柱的荷载与应变近似呈线性关系,木柱破坏形态表现为脆性破坏;加固柱的荷载—应变曲线主要分为两个阶段,第一个阶段为弹性阶段,荷载与应变大致呈线性关系;第二阶段为塑性阶段,应变增幅速度比荷载增幅速度更快,且具有明显的塑性流幅,该阶段可反映出FRP对木柱的约束作用效果,应变增幅越大表明FRP对木柱的约束作用越好,即FRP对核心木柱起到有效约束[5,6]。

  FRP加固层数对极限承载力有不同程度的提高。在相同加固方式的条件下,加固木柱的极限承载力随着加固层数的增加有不同程度的提高,但极限承载力不随加固层数的增加而无限增长,当加固层数到达某一限值,极限承载力开始出现下降趋势。例如采用AFRP加固木柱,加固层数增加到第3层时,极限承载力呈现下降状态[4,7]。因此,采用不同的FRP对木柱进行加固时,应首先确定最优加固层数,使加固后木柱的极限承载力提高幅度达到最大值,同时达到经济合理化和满足实际应用的要求。

  FRP加固方式对加固效果有不同的影响。采用FRP加固木柱,主要采用沿木柱表面全包裹、局部包裹、间隔包裹的形式,其中因FRP缠绕包裹的角度不同,又可分为环向加固和螺旋加固的形式。通过试验发现,全面积包裹的加固效果最佳,加固效果与FRP的包裹面积有关,其中从缠绕角度的方面可得出以环向加固优于螺旋加固形式的结论[4,8,9,10]。综合考虑加固要求和经济性等因素,可采用半包或者间隔包裹木柱缺陷、薄弱处等部位,但最佳的包裹位置和包裹间距,有待继续深入研究。

  3 、FRP加固木柱理论研究

  3.1、 加固机理

  根据木柱的截面形状不同,可分为圆柱和方柱。圆柱表面光滑、无棱角,FRP对核心木柱约束效应呈均匀分布,核心木柱在定值约束应力下产生横向膨胀,当纵向应力达到木柱的三向受压应力强度,加固木柱达到极限承载力;方柱由于存在角部作用效应,使FRP对核心木柱约束不均匀,FRP提供的径向约束力是通过拱效应向木柱传递,按照拱效应的强弱程度,将FRP的约束区可分为强约束区和弱约束区,受到强约束的木柱处于三向受压应力状态,如图3所示。

  3.2、 强度模型

  采用FRP的加固设计中,需估算加固后极限承载力和抗压强度,因此需要建立强度模型为实际的应用与研究提供可靠的依据。现有FRP加固木柱的强度模型,多以FRP加固混凝土柱为参考。已有的FRP约束混凝土柱强度模型[11]多采用式(1):

  其中,f'cc与f'co分别为约束和非约束混凝土的抗压强度;k1为约束有效性系数。

  周乾[12]参考混凝土强度模型,提出了CFRP约束圆木柱的强度公式,见式(2):

  其中,fr,fc分别为约束和非约束木材的顺纹抗压强度;fc,90为非约束木材的横纹抗压强度;k1为约束有效性系数。

  魏洋等人[13]通过试验研究,提出了FRP约束圆木柱的强度模型,见式(3):

  其中,fw为木材的抗压强度;fws为加固木柱的抗压强度;Ef为纤维布弹性模量;εfh为纤维布环向拉应变;tH为环向纤维布厚度;nH为环向纤维布折算层数;d为木柱直径。

  梁危等人[14]将试验数据进行拟合,得出FRP约束方木柱的极限抗压强度模型,见式(5):

  其中,f'f为FRP抗拉强度;fw为实测木材顺纹抗压强度;f'wc与f'w0分别为约束和非约束木材的顺纹抗压强度;α为回归经验系数;β为FRP缠绕角度;b为FRP宽度;d为FRP的间隔宽度。

  目前,对于FRP加固木柱的强度模型多参考混凝土柱,研究成果较少且没有形成统一的强度计算公式,因此需要进一步的试验研究来验证其正确性。

  4、 结论与展望

  虽然目前对现有的FRP加固木柱研究已取得了一定的成果,但相关的强度分析需进一步考虑和研究,具体问题和展望如下:

  1)由于木材是各向异性材料,存在木节、裂缝、虫蛀等多种天然缺陷,同时受到温度、含水率、蠕变等多种因素影响,预估加固后木柱极限承载力与试验实际结果误差较大;

  2)目前现有研究多针对于纯圆木柱使用FRP进行加固,但对胶合木方柱的加固研究较少。FRP约束方木柱时存在强、弱约束区,因此确定FRP对木柱核心有效约束面积和与矩形截面的长、宽之间的关系成为关键;

  3)现研究的成果中FRP约束方木柱的抗压强度多根据FRP约束圆形柱的基础上进行数据拟合得到约束有效系数,仅对部分种类木材进行试验且试件数量较少,所得理论数值与实际应用的误差较大且不具有普遍性和代表性;

  4)实际工程多针对于负载状况的木柱进行加固,但目前研究多对无负载木柱进行加固再进行受力分析,使试验研究结果与实际工程应用有较大的差距,同时纤维布与木柱之间存在应力滞后问题,需要更深入的研究。

  参考文献

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