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碳纤维材料对现代竹结构的加固分析

2018-07-04 16:08:51 

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目前,建筑主要以钢筋混凝土结构、钢结构及砌体结构为主,这些结构需要消耗大量的钢材、水泥和粘土,本身是一种高能耗、高污染的产业,显然不符合绿色建筑的要求。迄今为止,建筑领域使用最多的天然可再生的有机材料是木材,然而我国是一个森林面积相对较少,木材资源也相对匮乏的国家,即便是人工造林,也由于林木本身的成材周期较长,可取用的资源仍然极为有限,不可能大量用于建造木结构房屋。而同样轻质高强的竹材,由于其丰富的资源和出色的繁殖生长能力,恰恰能够弥补木材资源匮乏这方面的缺陷。因此其在生态性、保温节能性、抗震性能及施工与工业化方面具有突出的优点,给大家带来绿色与环保的新概念。

但是,在竹结构的研究与应用过程中发现,存在以下突出问题:

(1)弹性模量低,受弯构件的刚度较小;

(2)竹材抗拉强度相对较低,中性轴在截面对称轴附近,材料用量较多;

(3)力学性能较离散,往往由于局部缺陷提前破坏;

(4)破坏模式较脆。

因此,目前一些研究学者在基本不改变现有竹材加工工艺的情况下,利用FRP筋增强材料改善竹材受弯构件的力学性能,提高竹材对于结构工程的适用性,并且通过试验初步验证了FRP筋增强竹材受弯构件的有益效果。

1现代竹结构

竹材是一种可再生、可降解的天然生物质复合材料。现代竹结构是将原竹材通过工业化处理,制成具有一定规格的竹质工程材料,如重组竹、竹材积成材等,可以克服原竹材的上述缺点,这类材料质地均匀,力学性能稳定,因而具备了作为现代建筑结构材料的基本要求。

所谓现代竹结构,主要包含三个方面的涵义:

(1)它特指一种结构,是以竹材为主制作的结构,而非竹制品或其他一些工艺品;

(2)此类结构所用主要材料来源为竹材,而直接被用于结构中的材料是由竹材经加工而成的胶合竹材,能够适合工业化生产的需要,易于形成工程标准,不同于用原始竹材直接制作的原竹结构;

(3)此类结构的设计与建造是基于现代力学、材料学、结构设计及试验学等现代理论的,具有科学性和技术性。

与传统的混凝土结构、钢结构、砌体结构以及组合结构相比,现代竹结构有如下几方面特点:

(1) 现代竹结构所用主要材料为胶合竹材,而世界范围内竹材资源丰富,因此竹结构具有原料来源广泛、造价低廉的优点。

(2) 竹结构建筑具有良好的抗震性能和耐久性能。由于质量轻、弹性好、强度高,其抗震性能非常突出;经过适当处理的竹材使用寿命可达30年之久,而且,竹材种类的精心选择、防腐处理、辅助材料的使用等都能增加竹结构的耐久性。

(3) 现代竹结构建筑或桥梁具有设计简洁美观,施工方便快捷,能够适应工业化生产的需要,易于形成工程标准。竹结构房屋只需很短的时间即可安装完成,这种效率对自然灾害快速救助,减少伤亡或恢复灾区人民生活非常重要,同时,较短的施工周期,可以为开发商提供最快的资金回笼时间。

(4) 环保效益高也是竹结构的重要特点之一,竹材是绿色材料,其生产过程环保,无污染,符合可持续发展的要求,竹结构建筑是一种绿色节能建筑。

(5) 目前,国内外关于现代竹结构的研究和应用较少,竹结构研究具有较高的理论意义和工程价值。

2 FRP复合材料特性及应用

土木工程领域通常采用的FRP复合材料,从材料形式上分,主要有片材(布状片材和板状片材)、筋、棒和索等。布状片材在使用前不浸渍树脂。在施工过程中再给予浸渍树脂并张贴于结构表面或包裹结构;板材是指在使用前浸渍树脂并使其固化成板状,施工时再用树脂将其粘贴在结构表面,类似于粘贴钢板。根据增强材料的不同,又可以分为碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维复合材料(GFRP)和芳纶纤维复合材料(AFRP),这三种FRP复合材料各有特色。

在众多的FRP材料中,纤维布由于具有几何可塑性大、易剪裁成型等优点,较适用于非规则断面的传统木构件表面粘贴,是木结构加固中的首选材料(同时,也有少量的FRP板和FRP筋用于木结构的加固中),工程中碳纤维布的应用较为广泛。目前,FRP主要用于木构件和节点的加固,从而提高己有木结构的承载力、刚度和抗震性能。由于纤维布非常轻薄,加固后木结构经粉刷不影响外观,也几乎没有增加附加重量,而且提高了结构的防火性能;因此,纤维布对于现代木结构加固比较适应,具有较大的发展潜力。

3 国内外FRP木结构加固研究

二十世纪九十年代初,欧、美、日等国家开始CFRP加固与增强木结构的研究。目前,FRP即主要用于加固木构件和节点,提高既有木结构的承载力、刚度

和抗震性能。国外在该方面的研究状况分为两类:短期性能和长期性能。

(1)短期性能

1992年,Plveris等率先进行了对木梁和柱的张拉面粘贴了单向碳纤维布进行抗弯性能试验,1997年,Trinaatfillou等进行了对粘贴U型RP箍的木梁进行了抗剪性能试验,两者发现纤维布加固后的木构件在抗弯、抗剪强度、刚度和延性等方面均有非常大的提高。

2001年,Gilfillan,R等进行了CFRP加固glulam木梁的抗弯性能试验,试验表明,CFRP能够显著改善原木梁的性能,增强梁的极限抗弯承载力较原木梁有很大的提高,梁的跨度为6m,配筋率 (CFRP)为0.4%,其极限弯矩较对应的原木梁提高48%;适量的受拉增强可以抑制受拉破坏,导致梁的顶部延性受压,但单边增强梁的受压区高度不超过2/3;CFRP增强梁的受压区能够抑制木材发生受压破坏。

由于木材的弹性模量低、徐变大,直接粘贴FRP的效果并非最理想。1962年,Bohanan最早提出在木结构中施加预应力的思想,但因为没有合适的预应力材料而没得到很好的发展。

1991年~1992年,Triantafilluo采用张拉碳纤维布,在持载情况下,将木梁受拉面粘贴到碳纤维布上,等到粘胶建立强度后再释放,从而建立预应力CFRP增强木梁的思想,并在实验室得以实现。

此类预应力CFRP增强木梁的抗弯性能实验表明,施加预应力后构件的强度比非预应力CFRP梁约提高15%,比普通木梁约提高30%,同时刚度也有明显提高,证明了施加预应力是一种较好的增强方式。

目前,在短期性能方面,尚需要了解的是FRP加固木柱的抗压、抗剪承载力和变形性能。因为,木柱的破坏主要在于开裂或蚀损引起抗压强度不足和抗风、地震的剪切强度不足,在这两方面根据以往对FRP包裹的钢筋混凝土柱的缩尺模型的实验结果来看,其效果是非常理想的,这方面的研究将会给木柱的加固提供非常有益的参考。

(2)长期性能

由于木材的弹性模量低、徐变大,造成建造历史较长的木结构变形较大,而且会因长期徐变导致构件破坏。在利用FRP加固过程中,必须要考虑徐变的影响。

1995年,Plveris等对两根以1.18%体积率的CFRP增强的木梁和1根控制试件进行了10个月恒温恒湿恒载试验,结果数据表明,FRP加固后可减少40%的初始变形和50%的徐变变形,从而表明FRP能够提高木梁的刚度和减少徐变影响,而且其效果是非常可观的。

1996年,Plevris采用粘弹性模型考虑温湿效应和徐变时效特性,建立关于时间、温度和湿度的应变函数,并用Findlye模型模拟FRP,对FRP加固木梁的徐变进行分析。

2001年,Davids对12根7m长冷杉胶合层木进行了为期22个月的恒温变湿恒载试验,试验结果表明,FRP增强的木梁徐变明显小于未增强的木梁;而5个月后,徐变导致持载过程中纤维布增强的木梁出现层间断裂。同时,Dvaids发展了针对粘弹性木材分层模型的应变时效函数,对加固后木材的徐变效应进行有效分析。这两个典型实验,表明利用FRP加固木构件,不仅可以提高构件的承载力,而且明显地削弱了徐变的影响。

我国于2003年开展了碳纤维布加固木结构的研究工作,同济大学进行了碳纤维布加固木结构梁柱的试验研究;之后,上海交通大学也进行了探索性研究。但是,没有制订碳纤维布加固木结构的技术规程。总体来说,我国碳纤维布加固木结构的研究仍处于起始阶段。由于现代竹结构属于复合材料,其材料性能与木结构类似。在木结构的研究进程中发现FRP在增强木结构方面有许多优点,这些优点同样适用于FRP增强现代竹结构,通过归纳整理,优点如下:

(1)提高竹构件的承载能力,降低截面尺寸。

(2)提高竹结构的耐火能力。

(3)减小竹构件各项强度指标和力学性能的变异系数。

(4)提高竹结构的耐腐蚀性。

可见,采用FRP复合材料在现代竹结构性能的增强和加固方面有着很大的潜力和很好的应用前景,但由于现代竹结构尚处于研究开发阶段,现有竹结构房屋大多以原竹为材料进行建造,国内使用FRP复合材料进行加固的竹结构更是寥寥无几。但大致可以归纳如下:

魏洋、蒋身学、李国芬等针对竹材受弯构件刚度小、力学性能离散、材料用量较多等应用局限,提出利用FRP筋增强的创新思想,并给出了FRP筋增强竹梁的关键制造工艺及技术指标,进行了3个FRP筋增强及对比竹梁的试验研究,试验结果初步表明FRP筋在受拉区的配置分担了竹材的拉应力,对增强竹梁截面刚度是有效的,其CFRP筋增强试件刚度提高10%,BFRP筋增强试件刚度提高5%,CFRP筋的弹性模量较高,对截面的刚度提高效果好于BFRP筋,但FRP筋增强竹梁仍然是截面刚度控制设计;同时发现,无论是对比试件还是FRP筋增强试件,其横截面应变沿高度方向的分布基本上呈线性,平截面假定是成立的。且FRP筋增强试件中性轴位置较对比试件向下降低,尤其以CFRP筋增强试件中性轴位置降低更明显,证明了FRP筋参与工作的有益作用。

单波,周泉,肖岩提出了一种以胶合竹板为基本材料的现代竹结构人行桥梁,并通过3根足尺试件的四点加载试验,研究了短薄胶合竹板制成长梁的成型工艺和构件的力学性能。试验显示竹梁的破坏是由受压区竹材分层导致对接头错位引起的。其中一根试件增设了CFRP增强层,试验研究表明CFRP增强层对竹梁的强度有所提高,其承载能力和变形能力均大大提高,但是刚度与未增设CFRP增强层的试件大致相当。试验结果表明, 采用短板拼接、整体胶合成型的大尺寸竹梁刚度和承载力均能满足人行桥建设的要求。

黄桂秋进行对碳纤维布或铁丝加固对竹材的抗压、抗弯性能提升作用的对比试验和碳纤维布加固竹节点的试验,其竹材选用的是3~5年的没有明显缺陷,长度在10mm以上,外径从60mm到80mm不等,壁厚6~10mm的毛竹。FRP均通过环绕黏贴在毛竹表明的方式黏贴。通过试验分析,进过FRP加固的试件极限承载强度提升可以达到 21.5%~30.1%。抗压强度提升的幅度与碳纤维布加固的面积不完全呈现正相关关系,其中1/2碳纤维布加固面积的试件提升幅度为21.5%,1/1碳纤维布加固面积的试件提升幅度比1/2碳纤维布加固面积的试件大,为27.5%,而提升幅度最大的是1/3碳纤维布加固面积的试件,为30.1%。这表明,粘贴一定量的碳纤维能够明显提高毛竹的抗压强度,但超过一定面积时,这种进一步的抗压强度提高作用不明显。FRP加固与铁丝加固进行对比发现,没有竹节的试件中,碳纤维加固的试件极限强度提升25.0%,铁丝加固的试件极限强度提升17.7%;有竹节的试件中,碳纤维加固的试件极限强度提升 16.9%,铁丝加固的试件极限强度提升 12.3%。总体来说,碳纤维布的加固效果要高于铁丝的加固效果。同时碳纤维布加固对毛竹的抗弯强度有较大的影响。1/3碳纤维加固试件初裂强度的提升幅度为18.7%,极限强度的提升幅度为52.1%;而1/1碳纤维加固试件初裂强度提升19.8%,极限强度提升63.4%。碳纤维布加固可以极大地改善毛竹的延性。荷载-位移曲线显示,未加固的毛竹在达到极限强度后马上破坏,表现出很强的脆性破坏;而加固后的毛竹在达到极限强度后仍能继续承受大部分荷载,位移变形逐渐增大,延性较好。在使用碳纤维加固节点的试验中表明:碳纤维布对毛竹节点加固有较好的提升效果。一层加固可提高18.4%的剪切强度,二层加固比一层加固提高2.2%,相比一层碳纤维加固试件,两层碳纤维加固试件的强度只有细微的提升。

周爱萍在进行重组竹梁的弯剪试验发现即使剪跨比很小,梁最终还是因弯矩最大截面的下部纤维拉断而破坏,即梁的破坏还是弯曲破坏,很难出现剪切破坏形态。为此,采用碳纤维加固抗弯强度的办法,提高梁的抗弯承载力,使之在剪切破坏前不发生弯曲破坏,通过四点弯曲试验,发现载增加至极限承载力 45%左右时,荷载挠度曲线开始偏离直线状态,梁的刚度开始下降,但梁上并无可见裂纹出现,可能是由于碳纤维布与梁的结合面发生局部黏贴滑移所致。当荷载接近极限承载力时,剪跨内约在梁截面1/2高度处出现一水平裂缝,梁的荷载挠度曲线明显偏离直线状态,刚度下降较快。此后,随着荷载的增加,在首条裂缝附近继续出现新的水平裂缝,梁的刚度进一步降低,剪跨内可见明显的剪切变形,梁失去承载力。通过FRP加固重组竹,研究了梁的剪切破坏形态和破坏机理,为进一步进行重组竹梁的弯剪强度分析奠定基础。

4 结论

(1)竹材是一种可再生、可降解的天然生物质复合材料,相比于钢筋混凝土结构、钢结构、砖混结构具有生态性、保温节能性、抗震性能及施工与工业化方面具有突出的优点;相比与木结构具有原材料来源广、来源快、力学性能、阻燃性能较好等优点。

(2)FRP主要用于木构件和节点的加固,从而提高己有木结构的承载力、刚度和抗震性能。由于纤维布非常轻薄,加固后木结构经粉刷不影响外观,也几乎没有增加附加重量,而且提高了结构的防火性能;因此,纤维布对于现代木结构加固比较适应,具有较大的发展潜力

(3)采用现代加工技术加工后的新型竹结构,因此其造价相对较高,同时现代竹结构构件存在弹性模量低,受弯构件的刚度较小,竹材抗拉强度相对较低,中性轴在截面对称轴附近,材料用量较多,力学性能较离散,往往由于局部缺陷提前破坏,破坏模式较脆等问题,因此,目前一些研究学者在基本不改变现有竹材加工工艺的情况下,利用FRP筋增强材料改善竹材受弯构件的力学性能并使现代竹结构能大规模的推广利用。

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