黃 鸝,于海豐,馮佳勛，郝貴強(qiáng)，李志強(qiáng)

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司,河北石家莊 050000)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱GFRP)是近年來(lái)開(kāi)始在土木工程中應(yīng)用的新型材料，以輕質(zhì)高強(qiáng)、耐火耐腐、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)受到了土木從業(yè)者的青睞[1-6]。木結(jié)構(gòu)美觀大方、節(jié)能環(huán)保，但是木材存在設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低且容易受材料缺陷影響的問(wèn)題。通過(guò)可靠連接將GFRP與木材組合在一起，形成在外力作用下共同工作、協(xié)同變形的GFRP-木組合構(gòu)件，是目前具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用形式之一，既可以彌補(bǔ)木材在設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、耐久性能差等方面的缺陷，又可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)效能，節(jié)能環(huán)保。

國(guó)外學(xué)者WANGGARD[7]最早進(jìn)行了GFRP與木梁組合的研究，發(fā)現(xiàn)該種組合方式可有效改善木梁的受力性能。隨后研究人員相繼開(kāi)展了GFRP加固木梁的試驗(yàn)研究工作[8-11]。研究表明，GFRP的加固效果會(huì)因構(gòu)件尺寸、木材種類和加固位置的不同而有較大差異。KARLOS[12]對(duì)不同加固位置的GFRP增強(qiáng)木梁進(jìn)行了受彎試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)同時(shí)在木梁受拉面和受壓面黏貼等量的GFRP對(duì)木梁承載力的提升效果更加明顯。目前，以輕木作為芯材的GFRP輕量化夾芯構(gòu)件已經(jīng)作為受力構(gòu)件逐步應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。齊玉軍等[13]對(duì)一種GFRP外殼包裹泡桐木芯材的GFRP-輕木組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該種組合梁在荷載作用下整體效應(yīng)突出。張玲峰等[14]對(duì)單向增強(qiáng)的組合梁和多向增強(qiáng)組合梁進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)多向增強(qiáng)GFRP木夾芯梁較單向增強(qiáng)組合梁兼顧了橫向強(qiáng)度與剛度，但同時(shí)也因?yàn)闇p少了縱向受力纖維的數(shù)量，從而犧牲了構(gòu)件縱向強(qiáng)度和剛度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)GFRP-木組合構(gòu)件的受彎性能開(kāi)展了大量研究工作，也取得了較多有價(jià)值的成果，但仍存在不足：現(xiàn)有研究中GFRP-木組合梁組合方式較為單一，多以GFRP布、片材等黏貼木梁表面，或采用直接植筋的方式將GFRP棒材與木材進(jìn)行組合，對(duì)如何提升材料利用效率、節(jié)約制作成本、實(shí)現(xiàn)組合梁最優(yōu)組合效益的相關(guān)研究還有待進(jìn)一步擴(kuò)展。本文以按需增強(qiáng)為原則，考慮2種材料力學(xué)性能特點(diǎn)，將GFRP型材與樟子松木材通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠組合在一起，形成如圖1所示的板型GFRP-木組合梁、槽型GFRP-木組合梁和倒T型GFRP-木組合梁，并分別對(duì)其受彎性能進(jìn)行研究。

圖1 3種GFRP-木組合梁

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)選用同一批次生產(chǎn)的樟子松木材，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[15-19]設(shè)計(jì)制作了12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，截面尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，測(cè)得其順紋抗壓強(qiáng)度及彈性模量?？紤]材料缺陷、構(gòu)件尺寸等因素影響，對(duì)測(cè)得強(qiáng)度進(jìn)行了折減[20]。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表1所示。

圖2 木材順紋受壓性能試驗(yàn)

表1 木材力學(xué)參數(shù)

考慮到GFRP制備工藝可能對(duì)組合梁受彎性能有較大影響，試驗(yàn)時(shí)制作了拉擠成型GFRP拉伸試樣(編號(hào)HM75A1—6)和手糊成型GFRP拉伸試樣(編號(hào)PL75A7—12)2種類型(見(jiàn)圖3 a))，按照規(guī)范[17-18]要求分別測(cè)得其拉伸強(qiáng)度和彈性模量，最后取算術(shù)平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 b)和表2所示。

圖3 GFRP拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)

表2 GFRP力學(xué)參數(shù)

本文共設(shè)計(jì)制作了6組受彎梁，包括1組純木基準(zhǔn)梁、1組純GFRP基準(zhǔn)梁和4組GFRP-木組合梁，考慮到材料性能離散性較大，每組制作了2根相同的試件，單根梁全長(zhǎng)2 000 mm，凈跨1 800 mm，各梁具體信息見(jiàn)表3，圖4為6組受彎梁的截面示意圖。

圖4 梁截面示意圖

表3 受彎梁詳情

以CBT6為例說(shuō)明組合梁的制作過(guò)程。木材按試件尺寸在工廠完成切割、開(kāi)槽處理后，用打磨機(jī)對(duì)木材與GFRP的接觸面進(jìn)行打磨，以便形成利于粘結(jié)的粗糙表面；將環(huán)氧樹(shù)脂A，B膠按比例調(diào)配并均勻涂抹于連接面處，然后，將GFRP型材嵌入并與長(zhǎng)木方進(jìn)行黏合，形成GFRP-木組合梁；最后，用木工夾對(duì)組合梁整體夾持，并將其置于室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)7 d。

1.2 試驗(yàn)加載與量測(cè)

對(duì)GFRP-木組合梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，在梁跨三分點(diǎn)處施加集中荷載，以便在跨中l(wèi)0/3區(qū)段形成純彎段(見(jiàn)圖5 a))。試驗(yàn)采用單調(diào)靜力加載，正式加載前首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查各裝置是否工作良好。正式加載時(shí)采用分級(jí)加載，每級(jí)加載值為5 kN，持荷時(shí)間5 min。加載期間觀察試驗(yàn)梁變形的發(fā)展，當(dāng)荷載-撓度曲線不再線性變化時(shí)，加載方式由荷載控制改為位移控制，以位移增加3 mm為梯度進(jìn)行加載，直至試件破壞。

試驗(yàn)時(shí)，在梁跨中腹板沿梁高等間距布置5枚應(yīng)變片(編號(hào)為Y1—Y5)，以測(cè)得GFRP-木組合梁純彎段正截面應(yīng)變，同時(shí)分別在試驗(yàn)梁跨中上、下表面及材料黏結(jié)面處對(duì)稱布置了6枚應(yīng)變片(編號(hào)為YS1—YS2，YX1—YX4)以測(cè)得加載過(guò)程中材料的軸向應(yīng)變(見(jiàn)圖5 b))。另外沿梁跨度每間隔300 mm布置1個(gè)位移傳感器以測(cè)量梁的撓曲變形。另外，考慮到加載過(guò)程中支座處可能產(chǎn)生沉降，在支座處也布置了位移傳感器。應(yīng)變及位移計(jì)數(shù)據(jù)均采用DH3816應(yīng)變采集系統(tǒng)采集，荷載由試驗(yàn)加載裝置配套的系統(tǒng)記錄。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖(以板型組合梁為例，單位：mm)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞狀態(tài)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

WBR1為基準(zhǔn)木梁對(duì)照組。以試件WBR1a為例，在20 kN持荷時(shí)，試件發(fā)出了輕微脆響，這是由于木梁在荷載作用下產(chǎn)生了裂縫。當(dāng)荷載增加到24.5 kN時(shí)，試件發(fā)出連續(xù)的脆響聲，在跨中部位，其梁身正面和背面均出現(xiàn)了由底部發(fā)展而來(lái)的裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到33 kN時(shí)，木材細(xì)碎的斷裂聲突然開(kāi)始變得密集，且由底部木節(jié)處開(kāi)展出的裂縫發(fā)展迅速，且存在與梁腹缺陷處開(kāi)展的裂縫有匯合的趨勢(shì)。當(dāng)荷載達(dá)到36.95 kN時(shí)，試件發(fā)出巨響，底部跨中處木纖維被拉斷，同時(shí)部分木材出現(xiàn)崩離現(xiàn)象(見(jiàn)圖6 a))，試件背部發(fā)展出一條沿跨中底部延展至腹部的深裂縫(見(jiàn)圖6 b))。試件在發(fā)生破壞時(shí)受壓區(qū)木材遠(yuǎn)未達(dá)到其極限強(qiáng)度，基準(zhǔn)木梁試件表現(xiàn)出較為明顯的脆性破壞。

圖6 WBR1a試驗(yàn)現(xiàn)象及試件破壞狀態(tài)

GBR2為日字型GFRP梁對(duì)照組。以試件GBR2b為例，早期隨著荷載的增加，梁跨中撓度始終保持線性發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)加載至45 kN左右時(shí)，梁發(fā)生巨響，試件GBR2b因喪失承載力而破壞。試驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)，梁端支座處底板與腹板發(fā)生了撕裂、剝離現(xiàn)象，并且一直延續(xù)到梁跨中位置(見(jiàn)圖7 a))，腹板在壓力作用下屈曲壓潰，并有向2側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)(見(jiàn)圖7 b))。試件GBR2b在破壞前無(wú)明顯預(yù)兆，破壞時(shí)突然發(fā)生，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特點(diǎn)，跨中材料強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到其極限強(qiáng)度，材料性能未得到充分發(fā)揮。

圖7 GBR2b試驗(yàn)現(xiàn)象及試件破壞狀態(tài)

對(duì)于板型拉擠組合梁CBP3組，其在加載初期整體狀態(tài)表現(xiàn)良好。以試件CBP3a為例，當(dāng)外部荷載達(dá)到32 kN時(shí)，梁發(fā)出幾聲輕微的碎響，內(nèi)部在荷載作用下開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。在荷載達(dá)到35 kN時(shí)，梁受壓區(qū)木材出現(xiàn)細(xì)微褶皺。當(dāng)加載到42 kN時(shí)，發(fā)出了密集的“噼啪”聲，應(yīng)變采集點(diǎn)Y5位置處出現(xiàn)了部分木材剝離，并在后續(xù)的加載過(guò)程中，其剝離程度不斷增加，并有沿跨度方向發(fā)展的趨勢(shì)(見(jiàn)圖8 a))。當(dāng)荷載約為52 kN時(shí)，首先出現(xiàn)一聲沉悶的斷裂聲，隨后又發(fā)出一聲巨響，接著因喪失承載能力而發(fā)生破壞。觀察CBP3a梁狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，跨中底部受拉區(qū)GFRP和木材均被拉斷，頂部受壓區(qū)木材受壓褶皺明顯，梁腹部出現(xiàn)若干沿梁縱向發(fā)展的裂縫(見(jiàn)圖8 b))。

圖8 CBP3a試驗(yàn)現(xiàn)象及試件破壞狀態(tài)

對(duì)于板型手糊組合梁試件CBP4組，以試件CBP4a為例，在加載至43 kN時(shí)梁體發(fā)出零星脆響，梁體頂部木材出現(xiàn)了局部受壓褶皺(見(jiàn)圖9 a))。在46 kN持荷時(shí)，觀察到加載點(diǎn)墊板處有裂紋產(chǎn)生，并且伴隨著細(xì)微的“噼啪”聲緩慢地向梁腹部發(fā)展(見(jiàn)圖9 b))。在之后的加載過(guò)程中，試件不斷發(fā)出較為清脆的“噼啪”聲，且跨中撓度增長(zhǎng)加快。當(dāng)加載至56 kN左右時(shí)，先是發(fā)出幾聲清脆的斷裂聲，然后伴隨著一聲巨響，受拉區(qū)GFRP和木材先后被拉斷，梁CBP4a因無(wú)法繼續(xù)承載而破壞。觀察試件狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件CBP4a受拉區(qū)GFRP和木材均被拉斷，裂縫從底部向上發(fā)展并與梁腹部縱向發(fā)展裂縫交匯，受壓區(qū)跨中和加載墊片處木纖維均出現(xiàn)了較為明顯的受壓褶皺，破壞形態(tài)如圖9 c)所示。

圖9 CBP4a試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞狀態(tài)

對(duì)于槽型手糊組合梁CBS5組，以試件CBS5a為例，在加載至32 kN時(shí)，梁體首次發(fā)出“噼啪”幾聲脆響。待45 kN持荷觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)試件受壓區(qū)木材邊角出現(xiàn)了部分分離，且加載點(diǎn)墊片處木纖維有因受壓出現(xiàn)的褶皺(見(jiàn)圖10 a))。當(dāng)加載至52 kN時(shí)，試件發(fā)出一聲較大的脆響，受壓區(qū)木材邊角分離程度加深，且出現(xiàn)了從梁頂部受壓區(qū)向腹板處延伸的裂縫(見(jiàn)圖10 b))。在達(dá)到極限荷載62.42 kN時(shí)，試件發(fā)出了一聲沉悶的巨響，電腦采集端出現(xiàn)試件變形持續(xù)增長(zhǎng)但承載力不增加的狀況，CBS5a因無(wú)法繼續(xù)承載而視為破壞。觀察CBS5a狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)受壓區(qū)頂部木材受壓褶皺明顯(見(jiàn)圖10 c))，梁體正面和背面均存在由頂部受壓區(qū)向梁腹開(kāi)展的裂縫。在與裂縫相對(duì)應(yīng)的位置，槽型GFRP腹板部分受到擠壓，但受拉區(qū)木材和最底部的GFRP未發(fā)生破壞(見(jiàn)圖10 d))。

圖10 CBS5a試驗(yàn)現(xiàn)象及試件破壞狀態(tài)

對(duì)于倒T型手糊組合梁CBT6組，以CBT6a為例，在加載至46 kN時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)零星脆響，在55 kN持荷觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)受壓區(qū)邊緣木纖維已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的褶皺，且梁身背部1/3處存在一些沿梁縱向發(fā)展的裂縫。繼續(xù)加載至57 kN左右時(shí)，木材“噼啪”斷裂聲變得密集，停止加載后梁身裂縫仍在繼續(xù)擴(kuò)展，底部GFRP型材也出現(xiàn)顏色變淺、鼓起的現(xiàn)象。隨后伴隨一聲巨響，底部GFRP和木材先后被拉斷，CBT6a在持荷狀態(tài)時(shí)發(fā)生了破壞。受拉區(qū)GFRP斷裂口整齊，同一位置處木材拉斷，1/3梁高處出現(xiàn)了幾條沿梁縱向開(kāi)展的裂縫，受壓區(qū)邊緣木纖維受壓褶皺明顯。CBT6a破壞形態(tài)如圖11 a)所示。

圖11 CBT6b試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞狀態(tài)

試件CBT6b在后期加載過(guò)程中出現(xiàn)了跨中撓度增加、承載力卻提升不明顯的情況，同時(shí)梁腹部發(fā)展出了沿梁跨度方向的縱向貫通縫(見(jiàn)圖11 b))，梁端木材出現(xiàn)了較大滑移，最終試件CBT6b變?yōu)榀B合梁。這是因?yàn)檎磷铀赡举|(zhì)較為松散，木纖維之間的相互作用較弱，在外力作用下裂縫首先從材料缺陷處發(fā)展，最終形成貫通全長(zhǎng)的裂縫。因此CBT6b試件因材料缺陷導(dǎo)致試件本身存在質(zhì)量問(wèn)題，試驗(yàn)結(jié)果不可用。

根據(jù)受彎試驗(yàn)現(xiàn)象，可將各GFRP-木組合梁試件在達(dá)到極限荷載時(shí)的破壞狀態(tài)分為以下3種：1)組合梁受壓區(qū)木材受壓褶皺明顯，受拉區(qū)GFRP和木材均被拉斷，以試件CBP3a和CBP4a為代表，表現(xiàn)為延性破壞；2)組合梁受拉區(qū)GFRP未發(fā)生破壞，但受壓區(qū)木材因受壓褶皺而失穩(wěn)破壞，以試件CBS5a和CBT6a為代表，表現(xiàn)為延性破壞；3)組合梁腹部發(fā)展出沿梁縱向的貫通縫，梁端產(chǎn)生較大滑移，最終組合梁變?yōu)榀B合梁而無(wú)法繼續(xù)承載，以CBT6b試件為代表，表現(xiàn)出剪切破壞。前2種情況屬于組合梁在工作狀態(tài)下的正常材料破壞，第3種情況是因?yàn)槟静牟牧咸烊蝗毕輰?dǎo)致木材間相互作用削弱，在剪力作用下木纖維之間迅速分離，并最終發(fā)展為沿梁縱向的貫通縫。由此可知，雖然GFRP可以有效減少木材缺陷對(duì)梁體受彎性能的影響，但當(dāng)缺陷出現(xiàn)在梁腹部時(shí)，其對(duì)梁體的削弱作用不可被忽略。因此，在工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)，要避免缺陷位置出現(xiàn)在組合梁中和軸附近。

2.2 荷載-應(yīng)變曲線

圖12為槽型手糊組合梁CBS5a與基準(zhǔn)梁WBR1a和GBR2b的跨中荷載-應(yīng)變曲線，圖中跨中高度為零的位置表示試驗(yàn)梁底部位置，以此自下而上分別表示為布置在梁下表面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YX1(2)、布置在材料粘結(jié)面處木材表面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YX3(4)、沿梁腹跨中等間距布置的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)Y1—Y5和布置在梁上表面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YS1(2)。由圖12可以看出，組合梁跨中應(yīng)變隨截面高度的變化基本呈線性分布，符合平截面假設(shè)。在加載初期，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變發(fā)展平緩，其間Y3測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化不明顯，表明該測(cè)點(diǎn)位置處于組合梁中和軸附近。隨著荷載的增加，2組基準(zhǔn)梁中和軸處應(yīng)變變化始終不明顯，而組合梁Y3測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值有了較為明顯的改變，這說(shuō)明組合梁試件中和軸位置下降，受壓區(qū)木材塑性變形區(qū)域增加，這是因?yàn)樵贕FRP的增強(qiáng)下，組合梁受壓區(qū)木材的塑性變形能力得到發(fā)揮，使得組合梁在破壞前表現(xiàn)出一定的塑性變形能力。

圖12 應(yīng)變-跨中高度變化曲線

另外，由布置在材料粘結(jié)面處測(cè)點(diǎn)YX3(4)所反映出的應(yīng)變規(guī)律可知，組合梁試件受拉區(qū)GFRP和木材共同工作，在連接面處的木材由于GFRP的增強(qiáng)，應(yīng)變發(fā)展與基準(zhǔn)木梁受拉區(qū)木材的應(yīng)變發(fā)展相比較為平緩，這是因?yàn)镚FRP的存在減緩了受拉區(qū)木材的應(yīng)變發(fā)展。另外，在各級(jí)加載過(guò)程中，組合梁粘結(jié)面處木材的應(yīng)變發(fā)展與受拉區(qū)GFRP的應(yīng)變發(fā)展差異性較小，可基本認(rèn)為2種材料的變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)一致。試驗(yàn)表明，組合梁在最終破壞時(shí)未出現(xiàn)材料滑移或剝離現(xiàn)象，由此可說(shuō)明在荷載作用下GFRP-木組合梁整體效應(yīng)良好，可以忽略滑移效應(yīng)對(duì)組合梁受彎性能的影響。

2.3 整體撓度曲線

圖13為槽型手糊組合梁CBS5a與基準(zhǔn)梁WBR1a和GBR2b在加載過(guò)程中的整體撓度變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為試驗(yàn)梁跨度，縱坐標(biāo)為各級(jí)荷載下采集的撓度。由圖13可以看出，加載初期，各試件的整體撓度發(fā)展隨荷載增長(zhǎng)呈現(xiàn)出線性規(guī)律。在試驗(yàn)后半階段，組合梁CBS5a跨中撓度發(fā)展速率明顯加快，同級(jí)加載下的撓度變形增大，說(shuō)明此時(shí)組合梁的剛度減小，部分材料發(fā)生屈服。另外，由于木材受壓時(shí)具有一定的塑性變形能力，而在GFRP的增強(qiáng)下這種特性得到了發(fā)揮，因此在此階段內(nèi)組合梁表現(xiàn)出較好的塑性發(fā)展空間；而各基準(zhǔn)梁試件的塑性變形發(fā)展較不明顯，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)木梁和基準(zhǔn)GFRP梁在破壞時(shí)為脆性破壞，材料強(qiáng)度沒(méi)有得到充分利用。

圖13 整體撓度曲線

3 組合梁受彎承載力影響因素分析

3.1 不同GFRP制備工藝的影響

通過(guò)CBP3，CBP4與基準(zhǔn)梁的對(duì)比，分析不同GFRP制備工藝對(duì)組合梁受彎性能的影響。每組試件取其平均值進(jìn)行比較，其中CBP4b因粘結(jié)質(zhì)量問(wèn)題而破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度較大，結(jié)果未作參考。如圖14和表4所示，經(jīng)過(guò)GFRP的加強(qiáng)，組合梁CBP3和CBP4的極限承載力和抗彎剛度較基準(zhǔn)梁都有顯著提升，CBP3較基準(zhǔn)木梁和基準(zhǔn)GFRP梁的極限承載力平均提高了18.85 kN和8.02 kN，提升幅度為55.90%和18.00%；CBP4較基準(zhǔn)木梁和GFRP梁的極限承載力平均提高了22.66 kN和11.83 kN，提升幅度為67.20%和26.55%。同時(shí)可以看出，CBP4較CBP3的極限荷載值提高了7.25%，同時(shí)跨中撓度減少了8%，這是因?yàn)樵谑趾尚虶FRP梁制備工藝中，增強(qiáng)纖維為網(wǎng)格狀布置且沿厚度方向?qū)愉伓?，這使CBP4無(wú)論是橫向還是縱向都具有較高的剛度和強(qiáng)度；而在GFRP拉擠成型工藝中，增強(qiáng)纖維為沿軸向布置的連續(xù)長(zhǎng)纖維，這使CBP3僅在梁縱向具有較大剛度和強(qiáng)度。但需要注意的是手糊成型GFRP因其制備工藝影響，質(zhì)量不易保證。

圖14 CBP3，CBP4與WBR1荷載-撓度曲線

表4 WBR1，GBR2，CBP3 and CBP4主要試驗(yàn)結(jié)果

3.2 截面形式對(duì)組合梁受彎性能的影響

通過(guò)CBP4，CBS5和CBT6與基準(zhǔn)梁的對(duì)比，可以分析組合梁截面形式對(duì)其受彎性能的影響。取各組梁試驗(yàn)平均值進(jìn)行比較，CBT4b和CBT6b因試件缺陷問(wèn)題，試驗(yàn)數(shù)據(jù)未做參考。由圖15和表5可知，各組梁在加載初期的撓度變形發(fā)展基本保持一致，在加載中后期出現(xiàn)了較明顯的區(qū)別，其間CBS5的撓度發(fā)展始終小于CBP4和CBT6組合梁試件，且破壞時(shí)的極限荷載也略高于其他2組試件，這表明槽型GFRP-木組合梁的抗彎剛度和抗彎承載力要高于板型或倒T型GFRP-木組合梁。其原因可能是槽型組合梁GFRP材料沿截面受拉區(qū)高度分布要多于板型或倒T型組合梁，因此截面抗彎剛度得到提高。但在試件破壞時(shí)，3種組合梁的極限承載力和跨中撓度較為接近，且加載過(guò)程中未能表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，概因材料離散性影響所導(dǎo)致。

圖15 CBP4，CBS5和CBT6與WBR1荷載-跨中撓度曲線

表5 各梁主要試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1)將連接面打磨粗糙處理后再涂抹環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠，制成的GFRP-木組合梁在荷載作用下工作性能良好，組合效應(yīng)明顯，在受力過(guò)程中跨中截面應(yīng)變沿高度的變化基本符合平截面假設(shè)，連接面處2種材料也始終處于變形協(xié)調(diào)狀態(tài)，滑移效應(yīng)對(duì)GFRP型材-木組合梁受彎性能的影響較小。

2)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，手糊成型GFRP梁橫向和縱向都具有較大的剛度和強(qiáng)度，而拉擠成型GFRP梁僅縱向具有較大剛度和強(qiáng)度，但手糊成型GFRP受制備工藝影響，質(zhì)量不易控制，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。

3)根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可將組合梁破壞狀態(tài)分為3種：①受拉區(qū)GFRP和木材被拉斷，受壓區(qū)木材受壓褶皺明顯；②受拉區(qū)GFRP和木材未發(fā)生破壞，受壓區(qū)木材褶皺失穩(wěn)；③組合梁腹部出現(xiàn)沿梁縱向的貫通縫，組合梁發(fā)生縱向剪切破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP可以有效約束木材受拉區(qū)材料缺陷對(duì)組合梁受彎性能的影響，但處于梁腹部的缺陷對(duì)組合梁剛度和強(qiáng)度的削弱不可忽略。

4)相較于基準(zhǔn)木梁和基準(zhǔn)GFRP梁，GFRP型材-木組合梁極限承載力平均提高了67.04%和26.43%，提升效果顯著；同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)破壞現(xiàn)象分析，基準(zhǔn)木梁和基準(zhǔn)GFRP梁均表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，而組合梁的破壞形式表現(xiàn)為受拉區(qū)GFRP和木材拉斷或者不破壞、而受壓區(qū)木材褶皺，這說(shuō)明組合梁的變形性能得到了改善。另外，通過(guò)對(duì)比不同類型的組合梁受彎試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用槽型截面形式的GFRP-木組合梁抗彎性能要優(yōu)于采用板型或倒T型的GFRP-組合梁。

本文針對(duì)GFRP型材-木組合梁的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要分析了試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果，下一步還需完善組合梁的受彎承載力計(jì)算方法，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。