论文部分内容阅读
【摘 要】 介绍了目前国内外采用纤维增强胶合木梁的研究，分析了这种方案对于胶合木梁的性能的改善效果，结果表明纤维材料对胶合木梁的抗弯能力、强度、刚度等性能有极大的改善效果。并通过各种纤维材料的比较，总结出玄武岩纤维（BFRP）的优越性，并提出玄武岩纤维增强胶合木梁的研究方案和内容。
【关键词】 胶合木梁；纤维材料；玄武岩纤维胶合木梁；抗弯性能
前言：
木结构是我国传统建筑的主要结构形式。木结构具有质轻、温暖舒适、节能环保等优点，至今在我国的建筑中，木结构还占有相当的比例。随着可持续发展战略的提出，人们对于木材这种环保型材料的重视程度日益增加。胶合木梁是木材结构中的较为常见的形式，但是胶合木梁存在一些缺点：胶合木梁承受荷载时变形较大；胶合木梁受弯时容易发生脆性破坏等等。因此研究其变形机理并改良胶合木梁的性能变得尤为重要。本文总结了一些国内外通过纤维材料增强胶合木梁受弯性能的研究，介绍玄武岩纤维（BFRP）对于增强胶合木梁受弯性能的优点，并提出了玄武岩纤维增强胶合木梁的方案，旨在为提高胶合木梁性能方面提供参考。
1 纤维材料增强胶合木梁的研究概况
FRP（Fiber Reinforced Plastics ），是纤维增强复合塑料的英文缩写。现在使用较多的有BFRP、CFRP、GFRP、AFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。具有质轻而硬度大，不导电，机械强度高，耐腐蚀等特点。目前，国内外研究人员在对用纤维材料增强胶合木梁性能的方面取得了一系列的进展和成果。
在FRP加固木结构的研究中，研究者对木梁增强的抗弯性能研究是目前为止最为充分的研究。FRP增强木梁抗弯性能大多是在木梁受拉表面粘贴纤维布，以此达到提高木梁的多种力学性能。由程芳超[1]等人通过粘贴纤维布后对胶合木梁的增强效果的研究，得到以下结论：FRP能够弥补木材的一些缺陷，使得木材的强度得到较大的发挥；另外，纤维布和木梁的共同作用，提高了木梁的承载能力。同时粘贴碳纤维布也使得木梁的刚度得到幅度约为44.9%的提高，体现了纤维增强木梁的优越性。
对于采用FRP加固木梁后对其抗弯性能的研究，Plevris[2]在1992年进行了在木梁的受拉表面粘贴单向纤维布的试验。试验表明，木梁经加固后，其承载力、刚度和延性等方面均有所提高。Triantafilo采用了预拉纤维布加固木梁，对于此类预应力FRP加固木梁后进行了抗弯性能试验。试验表明，施加预应力后，木梁的强度比非预应力FRP木梁约提高15%，比普通木梁约提高30%，同时刚度也有明显提高。
邵劲松，刘伟庆[3]等人通过对FRP材料增强木结构加载后的工作原理及破坏模式来研究其受弯性能。实验设计变量为FRP层数，加固方式等分析其对FRP增强木结构承载力，挠度的影响。实验显示，在受拉的区域粘贴FRP对木梁的受弯承载力有显著提高。在纯弯曲区域布置横向FRP对于木梁受弯区域的性能有有效提高。FRP的层数会影响梁的受弯承载力，层数越多，受弯承载力越好。FRP加固效果和缠绕方向有关，横向缠绕加固效果最好，纵向效果则不明显。
杨会峰[4]等关于对FRP增强胶合木梁的受弯性能研究，FRP板与杨木胶合木结合，其受弯性能显著提高，经过试验及结果得到一些结论，FRP材料改善了胶合木梁受拉时的脆性破坏及木材缺陷对受弯性能的影响，充分利用了木材抗压强度高的特点，构件的极限拉应变随构件尺寸的增大而减小，提高了其延性。
李飞[5]等的BFRP加固木梁抗弯性的初始实验是基于玄武岩纤维（BFRP）的化学稳定性、导热性、耐腐蚀性、耐高温性等许多技术指标优于其他纤维，而且性价比高的这些特性。在梁的底部贴一层BFRP，接着给木梁加载，从而测出试件的荷载——挠度曲线。从图形中发现木梁进入塑性阶段，随着刚度的减小，挠度增加较快。破坏前变形较大，延性破坏比较大，未加固的梁的延性要比未加固梁的差一些，并且可以从曲线图中明显看出加固梁的刚度有很大的提高。实验研究表明粘贴玄武岩纤维布层数能提高木梁的刚度至34%左右。
郝聪[6]的BFRP层数对加固木梁抗弯性能的研究利用玄武岩纤维布具有较高抗拉强度和弹性模量，同时还有良好的粘合性等优良特性，利用软件对粘结不同层数的加固木梁进行了有限元分析，从模拟的数值及应力图对比可以发现，加固后的木梁承载力和未加固的木梁相比有大幅提高，加固后的木梁的承载力随着粘结的层数增加而逐步增加。
在纤维材料的选择方面吴刚[7]等人研究表明，碳纤维（CFRP）的综合性能是最为理想的，但是交价格过高，对于施工的经济性不利；玻璃纤维（GFRP）虽然价格较低，而且已经基本实現国产化，但是其耐久性能不太理想；芳纶纤维（AFRP）的强度和弹性模量均比较高，均有极好的韧性，但是价格比较高，生产技术也受到国外的垄断，无法实现国产化。因此相比于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等纤维玄武岩纤维具有很多的优点：玄武岩纤维主要以天然岩石为原料，具有理想的力学性能和耐久性，；成本比较低，市场价格大约是碳纤维的1/8～1/5；最重要的是玄武岩纤维与树脂的结合力强，有利于纤维材料与胶合木梁的胶合固结，增强胶合木梁的强度。
总结以上的研究人员对于胶合木梁的研究成果，可以得出以下几点的结论：以适当的加固方式粘贴一定数量的FRP能够弥补胶合木梁的缺陷，使得木材的强度得到较大程度的发挥，同时木材的刚度与承载能力也得到大大的提高，对于胶合木梁的抗弯性能的提高也起到了巨大的作用；相比于其他的纤维材料，玄武岩纤维具有力学性能好、成本低、兼容性能好等特点，因此选用玄武岩纤维材料粘贴胶合木梁有利于实现胶合木梁结构的可靠性与经济性。
2 玄武岩纤维增强胶合木梁的研究方案
对木材性能进行比较以及筛选之后选用的试件原材料为东北落叶松，最终确定的研究方案为一下几个方向： （1）首先进行木材抗拉性能及受压性能的研究
制作出6个木材的抗拉试件和6个胶合木受压试件，试件选材为东北落叶松。在万能试验机上分别对其进行受拉和受压试验，试验示意图如图所示。
图1 木材材性试验截面示意图
整理出实验数据，分别得到抗拉抗压强度和抗拉抗压弹性模量。
（2）研究BFRP布和BFRP板的数量（其中板层数分为1层和2层，布层数分为2层和4层）对抗弯性能增强效果的影响。
选用5根由东北落叶松材料制作的胶合木梁，控制板层厚度为25mm，层数为6层，所有梁的尺寸均为2850×50×150mm。其中一根为净胶合木梁作为试验对比。其余在胶合木梁的底布粘贴BFRP材料（包括BFRP布和BFRP板），其受拉面沿轴向粘贴的纤维复合材料延伸至木梁边缘，且应在纤维复合材的端部设置纤维复合材的环形箍，以防止在受弯时发生剥离破坏，试件如图所示。
图2 玄武岩纤维胶合木梁侧视图
图3 玄武岩纤维胶合木梁正视图
本试验采用简支两点对称加载形式，通过分配梁在三分点上进行加载，本次试验试件加载装置如图所示
图4 试验加载装置示意图
（3）试验分析：研究BFRP增强胶合木梁的破坏形态、受弯承载力、荷载挠度曲线，以及BFRP对于胶合木梁承载力的提高幅度；对BFRP增强胶合木梁的受弯性能试验进行分析，主要分析BFRP增强胶合木梁的经济价值、BFRP用量对增强胶合木梁效果影响，进而找到最优的BFRP布和BFRP板的数量。
3 结语
（1）在胶合木梁底部粘贴纤维材料能够弥补木材的一些缺陷，使得木材的强度得到较大的发挥，有利于提高木材的抗弯性能。
（2﹚玄武岩纤维具有其他纤维材料所不具备的优越性，提出玄武岩纤维增强胶合木梁的方案，研究其抗弯性能及其影响因素，给出设计建议。
参考文献：
[1]程芳超，胡英成.纤维增强木梁的性能评价与无损检测[Z].2010年海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会，2010年9月
[2]郑涌林.木结构建筑FRP加固法[J]福建建材，第7期（总第126期）
[3]邵劲松，刘伟庆.纤维增强复合材料加固木梁受弯性能试验研究[J].工业建筑，2010年5月
[4]杨會峰，刘伟庆.FRP增强胶合木梁的受弯性能研究[J].建筑结构学报第28卷第1期
[5]李飞，王全凤，陈浩军，黄奕辉.BFRP加固木梁抗弯性能的初始试验[J].华侨大学学报（自然科学版）.第31卷第6期2010年11月
[6]郝聪.BFRP层数对加固木梁抗弯性能研究[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013年2月
[7]吴刚，吴智深，吕志涛，魏洪昌，胡显奇[Z]连续玄武岩纤维在震后结构加固修复中的突出优势.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告，2008年六月
【关键词】 胶合木梁；纤维材料；玄武岩纤维胶合木梁；抗弯性能
前言：
木结构是我国传统建筑的主要结构形式。木结构具有质轻、温暖舒适、节能环保等优点，至今在我国的建筑中，木结构还占有相当的比例。随着可持续发展战略的提出，人们对于木材这种环保型材料的重视程度日益增加。胶合木梁是木材结构中的较为常见的形式，但是胶合木梁存在一些缺点：胶合木梁承受荷载时变形较大；胶合木梁受弯时容易发生脆性破坏等等。因此研究其变形机理并改良胶合木梁的性能变得尤为重要。本文总结了一些国内外通过纤维材料增强胶合木梁受弯性能的研究，介绍玄武岩纤维（BFRP）对于增强胶合木梁受弯性能的优点，并提出了玄武岩纤维增强胶合木梁的方案，旨在为提高胶合木梁性能方面提供参考。
1 纤维材料增强胶合木梁的研究概况
FRP（Fiber Reinforced Plastics ），是纤维增强复合塑料的英文缩写。现在使用较多的有BFRP、CFRP、GFRP、AFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。具有质轻而硬度大，不导电，机械强度高，耐腐蚀等特点。目前，国内外研究人员在对用纤维材料增强胶合木梁性能的方面取得了一系列的进展和成果。
在FRP加固木结构的研究中，研究者对木梁增强的抗弯性能研究是目前为止最为充分的研究。FRP增强木梁抗弯性能大多是在木梁受拉表面粘贴纤维布，以此达到提高木梁的多种力学性能。由程芳超[1]等人通过粘贴纤维布后对胶合木梁的增强效果的研究，得到以下结论：FRP能够弥补木材的一些缺陷，使得木材的强度得到较大的发挥；另外，纤维布和木梁的共同作用，提高了木梁的承载能力。同时粘贴碳纤维布也使得木梁的刚度得到幅度约为44.9%的提高，体现了纤维增强木梁的优越性。
对于采用FRP加固木梁后对其抗弯性能的研究，Plevris[2]在1992年进行了在木梁的受拉表面粘贴单向纤维布的试验。试验表明，木梁经加固后，其承载力、刚度和延性等方面均有所提高。Triantafilo采用了预拉纤维布加固木梁，对于此类预应力FRP加固木梁后进行了抗弯性能试验。试验表明，施加预应力后，木梁的强度比非预应力FRP木梁约提高15%，比普通木梁约提高30%，同时刚度也有明显提高。
邵劲松，刘伟庆[3]等人通过对FRP材料增强木结构加载后的工作原理及破坏模式来研究其受弯性能。实验设计变量为FRP层数，加固方式等分析其对FRP增强木结构承载力，挠度的影响。实验显示，在受拉的区域粘贴FRP对木梁的受弯承载力有显著提高。在纯弯曲区域布置横向FRP对于木梁受弯区域的性能有有效提高。FRP的层数会影响梁的受弯承载力，层数越多，受弯承载力越好。FRP加固效果和缠绕方向有关，横向缠绕加固效果最好，纵向效果则不明显。
杨会峰[4]等关于对FRP增强胶合木梁的受弯性能研究，FRP板与杨木胶合木结合，其受弯性能显著提高，经过试验及结果得到一些结论，FRP材料改善了胶合木梁受拉时的脆性破坏及木材缺陷对受弯性能的影响，充分利用了木材抗压强度高的特点，构件的极限拉应变随构件尺寸的增大而减小，提高了其延性。
李飞[5]等的BFRP加固木梁抗弯性的初始实验是基于玄武岩纤维（BFRP）的化学稳定性、导热性、耐腐蚀性、耐高温性等许多技术指标优于其他纤维，而且性价比高的这些特性。在梁的底部贴一层BFRP，接着给木梁加载，从而测出试件的荷载——挠度曲线。从图形中发现木梁进入塑性阶段，随着刚度的减小，挠度增加较快。破坏前变形较大，延性破坏比较大，未加固的梁的延性要比未加固梁的差一些，并且可以从曲线图中明显看出加固梁的刚度有很大的提高。实验研究表明粘贴玄武岩纤维布层数能提高木梁的刚度至34%左右。
郝聪[6]的BFRP层数对加固木梁抗弯性能的研究利用玄武岩纤维布具有较高抗拉强度和弹性模量，同时还有良好的粘合性等优良特性，利用软件对粘结不同层数的加固木梁进行了有限元分析，从模拟的数值及应力图对比可以发现，加固后的木梁承载力和未加固的木梁相比有大幅提高，加固后的木梁的承载力随着粘结的层数增加而逐步增加。
在纤维材料的选择方面吴刚[7]等人研究表明，碳纤维（CFRP）的综合性能是最为理想的，但是交价格过高，对于施工的经济性不利；玻璃纤维（GFRP）虽然价格较低，而且已经基本实現国产化，但是其耐久性能不太理想；芳纶纤维（AFRP）的强度和弹性模量均比较高，均有极好的韧性，但是价格比较高，生产技术也受到国外的垄断，无法实现国产化。因此相比于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等纤维玄武岩纤维具有很多的优点：玄武岩纤维主要以天然岩石为原料，具有理想的力学性能和耐久性，；成本比较低，市场价格大约是碳纤维的1/8～1/5；最重要的是玄武岩纤维与树脂的结合力强，有利于纤维材料与胶合木梁的胶合固结，增强胶合木梁的强度。
总结以上的研究人员对于胶合木梁的研究成果，可以得出以下几点的结论：以适当的加固方式粘贴一定数量的FRP能够弥补胶合木梁的缺陷，使得木材的强度得到较大程度的发挥，同时木材的刚度与承载能力也得到大大的提高，对于胶合木梁的抗弯性能的提高也起到了巨大的作用；相比于其他的纤维材料，玄武岩纤维具有力学性能好、成本低、兼容性能好等特点，因此选用玄武岩纤维材料粘贴胶合木梁有利于实现胶合木梁结构的可靠性与经济性。
2 玄武岩纤维增强胶合木梁的研究方案
对木材性能进行比较以及筛选之后选用的试件原材料为东北落叶松，最终确定的研究方案为一下几个方向： （1）首先进行木材抗拉性能及受压性能的研究
制作出6个木材的抗拉试件和6个胶合木受压试件，试件选材为东北落叶松。在万能试验机上分别对其进行受拉和受压试验，试验示意图如图所示。
图1 木材材性试验截面示意图
整理出实验数据，分别得到抗拉抗压强度和抗拉抗压弹性模量。
（2）研究BFRP布和BFRP板的数量（其中板层数分为1层和2层，布层数分为2层和4层）对抗弯性能增强效果的影响。
选用5根由东北落叶松材料制作的胶合木梁，控制板层厚度为25mm，层数为6层，所有梁的尺寸均为2850×50×150mm。其中一根为净胶合木梁作为试验对比。其余在胶合木梁的底布粘贴BFRP材料（包括BFRP布和BFRP板），其受拉面沿轴向粘贴的纤维复合材料延伸至木梁边缘，且应在纤维复合材的端部设置纤维复合材的环形箍，以防止在受弯时发生剥离破坏，试件如图所示。
图2 玄武岩纤维胶合木梁侧视图
图3 玄武岩纤维胶合木梁正视图
本试验采用简支两点对称加载形式，通过分配梁在三分点上进行加载，本次试验试件加载装置如图所示
图4 试验加载装置示意图
（3）试验分析：研究BFRP增强胶合木梁的破坏形态、受弯承载力、荷载挠度曲线，以及BFRP对于胶合木梁承载力的提高幅度；对BFRP增强胶合木梁的受弯性能试验进行分析，主要分析BFRP增强胶合木梁的经济价值、BFRP用量对增强胶合木梁效果影响，进而找到最优的BFRP布和BFRP板的数量。
3 结语
（1）在胶合木梁底部粘贴纤维材料能够弥补木材的一些缺陷，使得木材的强度得到较大的发挥，有利于提高木材的抗弯性能。
（2﹚玄武岩纤维具有其他纤维材料所不具备的优越性，提出玄武岩纤维增强胶合木梁的方案，研究其抗弯性能及其影响因素，给出设计建议。
参考文献：
[1]程芳超，胡英成.纤维增强木梁的性能评价与无损检测[Z].2010年海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会，2010年9月
[2]郑涌林.木结构建筑FRP加固法[J]福建建材，第7期（总第126期）
[3]邵劲松，刘伟庆.纤维增强复合材料加固木梁受弯性能试验研究[J].工业建筑，2010年5月
[4]杨會峰，刘伟庆.FRP增强胶合木梁的受弯性能研究[J].建筑结构学报第28卷第1期
[5]李飞，王全凤，陈浩军，黄奕辉.BFRP加固木梁抗弯性能的初始试验[J].华侨大学学报（自然科学版）.第31卷第6期2010年11月
[6]郝聪.BFRP层数对加固木梁抗弯性能研究[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013年2月
[7]吴刚，吴智深，吕志涛，魏洪昌，胡显奇[Z]连续玄武岩纤维在震后结构加固修复中的突出优势.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告，2008年六月