玄武岩纤维布增强木梁抗剪性能试验研究_杨林.pdf

48玄武岩纤维布增强木梁抗剪性能试验研究*杨林1，2白羽1，2许进飞1，2常莉1，2徐荣荣1，2（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.云南省工程抗震研究所，云南 昆明 650500）摘要为了研究玄武岩纤维布增强木梁的抗剪性能，通过 5 组共 15 根木梁进行两点集中加载静力试验，分析和研究了不同纤维布宽度和层数等因素对木梁和加固木梁抗剪极限承载能力和挠度的影响。结果表明：在木梁受剪区域粘贴玄武岩纤维布能有效提高木梁的刚度、延性和抗剪极限承载能力。并使用ABAQUS软件对玄武岩纤维布加固木梁的抗剪性能试验进行仿真模拟，通过对比模拟结果与试验结果，验证了应用ABAQUS 程序对玄武岩纤维布加固木梁进行数值模拟的可行性。关键词木梁玄武岩纤维布增强抗剪极限承载力Experimental study on shear strength of basalt fiber fabric reinforced wooden beamsYANG Lin1，2BAI Yu1，2XU Jinfei1，2CHANG Li1，2XU Rongrong1，2（1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China）AbstractIn order to study the shear strength of timber beams reinforced by basalt fiber fabric，the effects of differentfactors such as fiber cloth width and number of layers on the shearultimate load capacity and deflection ofwood beamsand reinforced wood beams were analyzed and studied by five groups of 15 wood beams with two-point concentratedloading static tests.The results show that the stiffness，ductility and shear ultimate bearing capacity of timber beamscan be effectively improved by pasting basalt fiber fabric in the shear area of timber beams.The shear performance testof basalt fiber cloth reinforced wood beams was simulated using ABAQUS software，and the feasibility of applyingABAQUS program to numerical simulation of basalt fiber cloth reinforced wood beams was verified by comparing thesimulation results with the test results.Key wordstimber beambasalt fiber fabric reinforcedultimate shear bearing capacity0引言木材具有资源再生周期短、布置灵活、易于装配、绿色环保、保温隔热性好等优点1-2。以木材为主要原材料建造的木结构建筑作为我国古代主要的传统建筑形式之一，在我国具有悠久的发展历史。现今，受经济条件和环境的影响，我国西南地区部分村落仍然存在大量木结构建筑。除此以外，近年来许多地方为推广旅游产业发展，修建了大量以木结构为主的古镇。木梁作为木结构建筑中的重要组成部分，在长期使用过程中容易出现挠度过大、断裂等问题3。因此，近年来国内外许多学者对木梁的受力性能和加固方式展开了一系列的相关研究。陈爱军等4通过对以东北落叶松为基材经胶合后制成的木梁进行跨中集中荷载试验，研究了木梁结构类型对其抗弯刚度的影响，研究结果显示，在变形条件相同时，胶合连续梁具有更强的抗弯性能。陈伯望等5对木梁试件底部弯剪段粘贴钢板，通过与未粘贴钢板试件进行受弯承载力试验对比，分析了加固后试件的跨中应变分布规律，提出了木梁在三分点受弯试验时产生受拉破坏及受剪破坏的临界跨高比。王玉镯等6对碳纤维加固的速生杨胶合木梁进行三分点静力加载试验，考虑不同配纤率和配纤位置等因素的影响，推导出了梁的极限弯矩理论计算公式。玄武岩纤维（Basalt Fiber，简称 BF）主要来源于自然界中的玄武岩矿石，具有耐高温性、耐腐蚀性等优点，被认为是“21 世纪的纯天然高性能纤维”7-8。本文通过玄武岩纤维布对木梁进行抗剪加固，通过与未加固木梁进行对比研究，并使用ABAQUS软件进行模拟分析，对比试验结果与模拟结果，最终得出模拟结果与试验结果较为吻合，验证了玄武岩纤维布对提高木梁抗剪极限承载力效果较好。1试验设计本次试验选用木材为樟子松，木梁尺寸150mm100mm2 000 mm，采用在木梁受剪力区域粘贴玄武岩*基金项目：云南省教育厅科学研究基金（2020J0061）。2023 年第 49 卷第 2 期February 202349纤维布的方式对木梁进行加固，粘结剂为环氧树脂，纤维布厚度为1.2mm，宽度分别为50mm和100mm（图 1）。试验前，在每根试件上、前、后 3 个面用黑色笔对试件进行网格划分，并标注出试件原有裂缝，网格尺寸为 25 mm25 mm。图 1玄武岩纤维布按照加固使用的玄武岩纤维布宽度和层数将试件分为 5 组，每组 3 根，共 15 根，其中，第 1 组不进行加固（对照组）。加固方式有 4 种，第 1 种加固方式为：在木梁受剪区域均匀粘贴 4 块宽度为 50 mm的玄武岩纤维布，层数为 1 层，每块间隔为 10mm。第 2 种加固方式为：将方法 1 中间 2 块 50 mm 宽的纤维布用宽度为 100 mm的纤维布替代，纤维布间距为 15 mm。第 3、4 种加固方式为：将方法 1、2 的纤维布层数分别改为 2 层。为防止试验过程中纤维布崩开，裹敷 1 层、2 层纤维布结束后的搭接长度为 50mm。试验方案及编号见表 1，试件第 1、2 种加固方式见图 2，粘贴后试件如图 3 所示。图 2第 1、2 种加固方式（单位：mm）图 3加固后木梁表 1试验方案及编号试验组号试件编号BFRP 间距/mmBFRP 宽度/mmBFRP 粘贴层数ML-A0-11ML-A0-20ML-A0-3ML-A1-12ML-A1-210501ML-A1-3ML-A2-13ML-A2-21550/1001ML-A2-3ML-B1-14ML-B1-210502ML-B1-3ML-B2-15ML-B2-21550/1002ML-B2-3注：50/100 表示试件边缘纤维布宽度为 50mm，中间部分宽度为 100 mm。2试验材料试验选用木材为樟子松，按 木材物理力学试材锯解及试样截取方法（GB/T19292009）9和 木材物理力学方法总则（GB/T19282009）10规定截取樟子松标准试块测定其主要物理性能，部分试块测试破坏图如图 4 所示。本次试验所用樟子松部分物理性能测定结果如表 2。粘结剂为环氧树脂，玄武岩纤维布和环氧树脂材料性能见表 3 和表 4。（a）顺纹抗压试件（b）抗弯强度试件图 4部分试块测试破坏情况50表 2樟子松主要性能指标树种名称干密度/（gcm-3）天然含水率/%顺纹抗压强度/MPa抗弯强度/MPa弹性模量/MPa樟子松0.51217.3627.1160.6710 256.4表 3玄武岩纤维布主要性能指标名称拉伸强度/MPa弹性模量/GPa断裂伸长率/%厚度/mmBFRP3 800622.91.2表 4环氧树脂主要性能指标名称抗拉强度/MPa抗剪强度/MPa弹性模量/GPa断裂伸长率/%环氧树脂52.814.22.923量测及加载方案3.1量测方案1）在木梁两端受剪区域内各贴一组应变花，测量其横向、纵向和斜向的应变情况。2）在梁中间位置设置 1 个位移计，记录梁跨中挠度变化。测点布置如图 5 所示。1位移计；2应变片；3试件。图 5加载点及测点位置（单位：mm）3.2加载方案试验采用微机控制电液伺服液压万能试验机作为加载设备，加载方式采用分配梁两点集中加载。在正式试验加载前需对试件进行预加载，预加荷载值P0=1kN，后继续加载至P1=7kN，记录荷载从P0递增至 P1时相应的挠度值，再卸载到 P0，反复进行 5 次，观察记录试件挠度无明显异常后即可正式开始试验。正式试验采用逐级加载的方式进行加载，加载速度为 2.4 kN/min，荷载等级为 15 kN/级，每一级荷载加载完成后停顿 1min，待观察记录试件裂缝扩展情况后进入下一级加载。4试验结果与分析4.1试验现象1）ML-A0 组木梁。对照组试件无玄武岩纤维布加固。该组试件加载初期，其前后表面均无明显试验现象。当加载至 20 kN 时，仅试件上表面加载处和下表面支撑处产生了微小的凹陷，有轻微的破坏，且伴有细微的断裂声。随着荷载不断增大，断裂声一直持续，且试件上表面加载处与下表面支撑处凹陷越来越明显。试件破坏后，3 根试件均在其中性层附近产生了 1 条或多条沿顺纹方向的裂缝，且裂缝均一直延伸至试件端部。除试件 ML-A0-1 外，其余2 根试件端部还发生了不同程度的不规则炸裂。破坏情况如图 6 所示。（a）ML-A0-1 破坏情况（b）ML-A0-2 破坏情况（c）ML-A0-4 破坏情况图 6ML-A0 组试件破坏情况2）ML-A1 组木梁。该组试件在受剪区域内均匀粘贴 4 块宽度为 50 mm 的 1 层玄武岩纤维布，每块间隔为 10mm。在试件加载初期，3 根试件均无明显试验现象。当加载至约 25 kN 时，试件上表面加载处和下表面支撑处纤维布发生了微小的凹陷，有轻51微的破坏，且伴有细微的断裂声。随着荷载不断增大，断裂声一直持续，试件上表面加载处与下表面支撑处凹陷越来越明显，并且出现了不同程度的破坏。试件破坏后，所有试件中性层附近均产生若干条沿木梁顺纹方向的细微裂缝，且试件端部均有不规则的炸裂现象。除此以外，ML-A1-2 试件在其上表面加载处附近产生了一条与水平方向大约成 30夹角的裂缝，为明显的斜向剪切破坏，这是因为在裂缝中间有一明显的木结疤，而木材强度对原始裂缝、结疤等处产生的应力集中十分敏感造成的。3）ML-A2 组木梁。该组试件在受剪区域内均匀粘贴 1 层 2 块宽度为 50 mm 和 1 块宽度为 100 mm玄武岩纤维布，每块间隔为 15mm。试件加载初期，试验现象和 ML-A1 组相似。试件破坏后，所有试件均在其受剪部位产生若干条裂缝并贯穿至试件端部，且试件端部均有明显的炸裂现象。其中，试件 ML-A2-1 和试件 ML-A2-2 主要发生沿顺纹方向的剪切破坏。ML-A2-2 试件在其受剪部位还产生一条与梁顺纹方向大约成 45角的裂缝，为明显的斜向剪切破坏。4）ML-B1 组木梁。该组试件在受剪区域内均匀粘贴 4 块宽度为 50 mm 的 2 层玄武岩纤维布，每块间隔为 10 mm。试件加载初期，试验现象和 ML-A1组相似。试件破坏后，试件 ML-B1-1 和试件 ML-B1-3中性层附近均产生了若干条沿木梁顺纹方向的裂缝，并延伸至试件端部，为明显的顺纹剪切破坏。试件ML-B1-2在其上部加载处附近区域还产生了一条沿横纹方向的裂缝，呈现明显的横纹剪切破坏。5）ML-B2 组木梁。该组试件在受剪区域内均匀粘贴 2 层 2 块宽度为 50 mm 和 1 块宽度为 100 mm玄武岩纤维布，每块间隔为 15mm。试件加载初期，试验现象和 ML-A1 组相似。试件破坏后，试件 ML-B2-1 和试件 ML-B2-2 在其中性层附近产生了一条沿木材顺纹方向的裂缝，呈现明显的顺纹剪切破坏。试件ML-B2-3则是在其加载区域附近产生了一条垂直于顺纹方向的裂缝，且在裂缝下端有明显的炸裂趋势。除上述试验现象外，在试件破坏后，部分加固试件在加载处和支撑处纤维布和试件还发生了不同程度的分离，其余部分粘贴完好。部分试件破坏情况如图 7 所示。4.2木梁抗剪极限承载力分析通过对试验结果进行处理，得到各组试件抗剪极限承载力数据见表 5。（a）ML-A1-2 破坏现象（b）纤维布鼓起与试件分离（c）ML-B2-3 破坏现象图 7部分试件破坏情况表 5梁极限承载力数据试验组号试件编号BFRP 粘贴层数极限承载力/kN极限承载力平均值/kNML-A0-142.171ML-A0-2044.5844.49ML-A0-346.71ML-A1-154.142ML-A1-2151.9653.05ML-A1-353.06ML-A2-154.863ML-A2-2156.8354.55ML-A2-351.96ML-B1-158.924ML-B1-2261.8061.21ML-B1-362.90ML-B2-164.775ML-B2-2261.0862.99ML-B2-363.1352由表 5 中数据可得，采用玄武岩纤维布加固木梁能有效提高木梁抗剪极限承载力，但不同加固形式提升幅度有所差异，不同加固形式下加固效果见表 6。表 6不同加固形式效果对比试件组极限承载力平均值/kN极限承载力平均值提升度/%ML-A044.49ML-A153.0519.24ML-A254.5522.61ML-B161.2137.58ML-B262.9941.58由表 6 可知，当加固层数为 1 层时，试件组ML-A1、ML-A2 的极限承载力平均值分别比对照组ML-A0 提升了 19.24%和 22.61%。当加固层数为 2 层时，试件组ML-B1、ML-B2 的极限承载力平均值分别比对照组 ML-A0 提升了 37.58%和 41.58%。对比结果可知，采用2层纤维布加固木梁的效果要比采用1层纤维布效果更佳，平均提升 18.65%左右。除此以外，对比方法 1、2 的加固效果和方法 3、4 的加固效果可知，在纤维布层数和厚度相同的情况下，采用改变纤维布宽度的方式也能提高木梁抗剪极限承载力，当加固使用的玄武岩纤维布越宽，其对木梁抗剪极限承载力提升效果越好。4.3荷载-挠度曲线分析各组木梁试件荷载-挠度曲线如图 8 所示。根据图 8 可知，试件在加载过程中的位移-挠度曲线分为直线段和曲线段，即弹性阶段和屈服阶段。试件加载初期，荷载-挠度曲线为直线，试件处于弹性阶段，试件挠度随荷载的增加呈现线性增长。当试件屈服时，试件挠度增长明显变快，这是由于进入屈服段后，木材内部纤维素分子链发生较大的相对滑动造成木材密度比减小，即试件刚度减小造成的。加固后的木梁荷载-挠度曲线中直线段要比未加固木梁略长，且斜率更大，即加固木梁比未加固木梁拥有更大的刚度。除此以外，从图 8 可知，加固后的木梁比未加固木梁有着更好的延性。图 8荷载-挠度曲线5数值模拟建立ABAQUS有限元模型进行分析，相比试验不仅经济成本更低，还能更加深入的研究试件的破坏机理。通过对比模拟分析结果与试验结果，能有效验证试验分析和理论分析的可靠性，从而满足实际工程的需求。5.1材料属性参数设置本次模拟的木材材料属性由木材材料性能测试所得数据进行设置，部分力学参数由相关文献进行合理选取，具体参数取值见表 7。玄武岩纤维布主要由玄武岩纤维丝编制而成，在其纤维布平面内有极大的抗拉强度，但几乎没有抗弯和抗折强度11，其弹性模量主要取其应力应变直线段的斜率。表 7樟子松属性参数EL/MPaER/MPaET/MPaVLRVLTVRTGLR/MPaGLT/MPaGRT/MPa10 256.4375.82189.240.3280.2920.3828041936445.2模型建立在本次模拟中，木材为典型的各向异性材料，因此在赋予材料属性时需指派材料方向来指定木梁顺、横纹方向。其中，木梁采用 C3D8R（减缩积分，沙漏控制）作为基本单元。玄武岩纤维布采用 S4R（减缩积分，沙漏控制，有限膜应变）作为基本单元，玄武岩纤维布与木梁的接触方式为表面-表面接触，相互作用属性为粘性行为。5.3分析结果与试验对比通过对 5 组试验中的 5 个模型进行模拟分析，得到每个模型的变形云图如图 9图 12 所示。图 9ML-A1 组应力云图53图 10ML-A2 组应力云图图 11ML-B1 组应力云图图 12ML-B2 组应力云图对比 ABAQUS 模拟计算值与试验值见表 8。通过对加固梁的ABAQUS计算值和试验结果对比，验证了大型通用有限元软件ABAQUS同样可以模拟木结构计算。表 8计算值与试验值对比组号实验值/MPa模拟值/MPa误差/%A044.4949.84-12.03A153.0548.019.50A254.5559.52-9.11B161.2165.22-6.45B262.9971.55-13.596结论通过对 15 根樟子松木梁试件进行抗剪试验，通过观察试验现象和分析试验数据主要有以下结论：1）玄武岩纤维布能有效增强木梁抗剪极限承载能力，本次试验中采用的方法 1、2 两种加固木梁的方式相比未加固木梁，其抗剪极限承载能力分别提升了 19.24%和 22.61%。2）采用 100 mm 宽纤维布的增强效果比 50 mm宽纤维布增强效果略好。同时，使用 2 层纤维布对木梁抗剪极限承载能力的提升效果比使用 1 层纤维布效果更加明显，同比平均提升 18.65%。3）玄武岩纤维布加固木梁能有效提高木梁刚度。除此以外，使用玄武岩纤维布加固对木梁延性也有一定的提升效果。4）通过 ABAQUS 建立玄武岩纤维加固木梁三维足尺模型，对比 ABAQUS 模拟结果与试验结果，验证了有限元软件ABAQUS可以模拟木结构的分析计算。参考文献1 何敏娟，孙晓峰，李征.多高层木结构抗震性能研究与设计方法综述 J.建筑结构，2020，50（5）：1-6.2 陆伟东，陆斌辉，屈丽荣，等.大跨木结构研究现状及关键技术 J.四川建筑科学研究，2021，47（4）：1-26.3 张彦辉，刘成伟，周奡磊.村镇住宅受损木梁抗弯加固试验研究 J.建筑科学，2011，27（S2）：52-55.4 陈爱军，白帆，周彦，等.胶合木连续梁抗弯性能试验研究J.铁道科学与工程学报，2022（7）：1-9.5 陈伯望，刘陈诚，刘建文，等.小跨高比胶合木梁受弯性能及增强试验J.建筑科学与工程学报，2019，36（6）：26-34.6 王玉镯，马云鹏，王兰芹，等.碳纤维增强速生杨胶合木梁的受弯性能 J.土木与环境工程学报（中英文），2022，44（6）：124-135.7 杨军.玄武岩纤维对高性能混凝土性能影响的研究 D.成都：西南交通大学，2018.8 张文彬.硫酸钙晶须-玄武岩纤维混凝土性能试验研究D.郑州：郑州大学，2021.9 全国木材标准化技术委员会.木材物理力学试验方法总则：GB/T 19282009 S.北京：中国标准出版社，2009.10 全国木材标准化技术委员会.木材物理力学试材锯解及试样截取方法：GB/T19292009 S.北京：中国标准出版社，2009.11 刘华新，柳根金，邢婕思，等.基于有限元Abaqus的玄武岩纤维布加固预损钢筋混凝土短梁抗剪性能分析 J.辽宁工业大学学报（自然科学版），2015，35（3）：153-156.作者简介杨林（1997），男，硕士，主要从事工程抗震及加固改造方向的研究。（收稿日期：2022-06-17）