汪 博，王欣誠(chéng)，袁 野，林大偉，張硯初，裴云鵬，萬(wàn) 里

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210017；2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

1 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是近年來在土木工程結(jié)構(gòu)中得到成功應(yīng)用的一種新型高性能工程結(jié)構(gòu)材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、施工成型方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。FRP拉擠型材是纖維薄壁構(gòu)件，主要受力方向?yàn)槔w維長(zhǎng)度方向，其抗剪性能較差，在外荷載作用下極易發(fā)生垂直于纖維方向的橫向、斜向剪切斷裂，F(xiàn)RP的承載性能未得到充分利用。為改善其性能，實(shí)際加工中通常以FRP為外殼并在其內(nèi)部塞入填充物，填充物類型有蜂窩(紙蜂窩、鋁蜂窩、PP蜂窩等)、泡沫(PU泡沫、PVC泡沫、鋁泡沫等)、輕木(南方松、泡桐木等)等[2]。木材是取材方便的建筑材料之一，但也存在許多缺點(diǎn)，如耐腐性差、易被蟲蟻侵蝕、易燃等。木芯FRP拉擠型材的外殼為FRP，內(nèi)部為木質(zhì)芯材填充，將這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，若能共同承載，將充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。

為了探索FRP材料與其它材料之間的結(jié)合方式，大量學(xué)者采用了在FRP拉擠型材中填充混凝土的方式[3]。而在木材相關(guān)領(lǐng)域，F(xiàn)RP的主要使用方法仍然為包覆方式，以增強(qiáng)構(gòu)件的抗彎和抗剪性能[4, 5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者馬建勛、張大照等先后研究了不同纏繞形式下木柱的極限承載力，最終得出其極限承載力可提高11%～33%的結(jié)論[6,7]。

本文所涉及的木芯FRP柱，主要是預(yù)先制備好木芯，然后在纖維/樹脂拉擠成型的過程中，將木芯填充進(jìn)去，一次成型的木芯FRP柱。

2 木芯FRP拉擠柱的抗壓性能

2.1 空心FRP管軸心抗壓試驗(yàn)

為充分了解木芯FRP柱中各組分材料對(duì)于其整體力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，本文對(duì)空心FRP管進(jìn)行了抗壓性能試驗(yàn)。空心FRP管直接由木芯FRP柱剝離出來，如圖1所示，試件上還有少量木屑?xì)埩簦拘净疽驯磺謇硗戤?。試件外形尺寸?08mm×90mm，外殼厚度為10mm。

圖1 空心FRP管試件

抗壓試驗(yàn)參照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》(GB/T 1448-2005)進(jìn)行。由于荷載相對(duì)較小，采用MTS 311疲勞試驗(yàn)機(jī)(最大荷載1000kN)進(jìn)行加載，加載速度為2mm/min。

本試驗(yàn)共有3個(gè)試件，加載過程基本相同。在加載的開始階段，隨著荷載的增大，試件軸向壓縮變形繼續(xù)增大，無明顯位移突變。在加載至650kN左右時(shí)，試件陸續(xù)發(fā)生數(shù)次斷裂聲響，疑似纖維/樹脂在局部發(fā)生了斷裂，并且斷裂聲隨荷載增大而增多。此時(shí)，試件底端與試驗(yàn)機(jī)加載板接觸部位的FRP面層逐漸向外延伸，如圖2所示。繼續(xù)加載，試件破壞形式主要表現(xiàn)為中部FRP層向內(nèi)凹陷。FRP拉擠型材空管軸心抗壓的極限荷載和相應(yīng)的位移試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 試件頂部外延

表1 FRP拉擠型材空管抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 木芯FRP柱軸心抗壓試驗(yàn)

木芯FRP短柱試件截面尺寸為108mm×90mm，F(xiàn)RP厚度10mm，中間為南方松木芯，試件總長(zhǎng)度為300mm。木芯FRP拉擠型材軸心抗壓試驗(yàn)方法同樣參照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》(GB/T 1448-2005)進(jìn)行，但由于其極限荷載遠(yuǎn)大于空心FRP管，采用杭州邦威的YAW-10000J微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)加載，加載速度仍為2mm/min。

如圖3所示，試件上部的作動(dòng)器通過帶鉸的壓盤作用于試件表面，下部為固定的壓盤。在試件的四面中間，對(duì)稱粘貼軸向應(yīng)變片，以測(cè)定試件在軸向受載時(shí)的應(yīng)變。

圖3 木芯FRP短柱抗壓試驗(yàn)

如同空心FRP試件，在加載的開始階段，試件表面無明顯變化。隨著荷載增大，試件軸向變形不斷增大，并逐漸出現(xiàn)纖維/樹脂的斷裂聲響。650kN時(shí)斷裂聲明顯增大，試件與加載板接觸部位已開始向外延伸。隨著荷載的進(jìn)一步增大，試件中部FRP外殼呈現(xiàn)明顯外凸，隨后試件發(fā)生突然破壞，外表纖維被撐裂，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4 木芯FRP短柱的最終破壞形態(tài)

表2 木芯FRP短柱抗壓試驗(yàn)結(jié)果

通過與空心FRP試件進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比發(fā)現(xiàn)，木芯FRP短柱的平均極限抗壓荷載提高了73%，達(dá)到了1212kN，平均峰值位移則達(dá)到了8.03mm，提高了1.23倍。其原因是FRP與木芯共同承載，極限荷載有所提高。但由于兩種材料彈性模量、極限強(qiáng)度的差異，使兩種材料不能同時(shí)達(dá)到峰值，從而達(dá)不到“1+1=2”的效果。FRP外殼在受壓的過程中不斷向外延展，并未出現(xiàn)明顯的完全喪失承載能力的先期破壞。最終破壞時(shí)，主要體現(xiàn)的是木芯的受壓破壞，待木芯完全破壞后，從中間部位出現(xiàn)了突然的破裂。

3 木芯FRP拉擠柱的拉伸性能

木芯FRP拉擠柱的拉伸試驗(yàn)同樣采用杭州邦威的YAW-10000J微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。為了讓立柱能將試件拉壞，本文加工了一套特殊的夾具，具體樣式如圖5所示。

圖5 木芯FRP試件抗拉試驗(yàn)及夾具

木芯FRP拉擠型材試件仍為108mm×90mm的矩形截面，與上文尺寸相同。為保證夾具與試件充分連接，單個(gè)試件的長(zhǎng)度為2750mm。

本試驗(yàn)共準(zhǔn)備了3個(gè)試件，安裝時(shí)將兩端分別插入已設(shè)計(jì)好的方形鋼套筒夾具內(nèi)，并采用14顆M12螺栓固定。夾具的一端與試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面采用80mm直徑的粗螺栓相連，另一端與試驗(yàn)機(jī)的上夾板相連。試驗(yàn)采用連續(xù)加載的方式，加載速度為2mm/min，與前文相同。

所有試件在加載前期，隨著位移的增大載荷值一直增大。加載至450kN左右，開始聽到輕微撕裂聲，試件表面出現(xiàn)輕微白斑狀裂紋。隨著荷載的進(jìn)一步加大，試件突然發(fā)出巨大的斷裂響聲，試件破壞，加載終止。

為了進(jìn)一步判斷試件的破壞特征，本文將試件從夾具中取出，如圖6所示，試件中的木芯已經(jīng)明顯出現(xiàn)了從中間抽離的現(xiàn)象，此外在FRP外殼上，出現(xiàn)了螺栓孔局部承壓破壞現(xiàn)象。木芯FRP拉擠型材抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 木芯FRP拉擠型材抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果

圖6 木芯FRP立柱抗拉破壞形態(tài)

進(jìn)一步將試件的FRP外殼剝開觀察，由于木芯采用了現(xiàn)代膠合木工藝制作，木芯在其指接處發(fā)生了斷裂。因此，可以初步判斷，木芯FRP柱的破壞首先發(fā)生于木芯，木芯破壞后，其外殼在螺栓的作用下，發(fā)生了局部的銷槽承壓破壞。可見，雖然木芯與FRP外殼對(duì)于其抗拉性能均有一定的貢獻(xiàn)，但仍沒有完全發(fā)揮纖維本身的抗拉作用。

4 結(jié) 論

本文主要得到以下結(jié)論：

(1)木芯FRP拉擠型材軸心承壓時(shí)，木芯對(duì)于整體的抗壓性能貢獻(xiàn)顯著，較FRP空心管提升了73%，兩者協(xié)同抗壓效果非常良好。

(2)木芯FRP拉擠型材的抗拉性能同樣優(yōu)異。較之單純的木柱，內(nèi)部木芯因?yàn)橹附訑嗔讯霈F(xiàn)破壞，此時(shí)FRP可以起到緩沖作用，避免其整體突然失效，為其抗拉又提供了一層安全保證。