CFRP增强胶合木梁疲劳性能试验研究

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近年来,现代木结构建筑应用覆盖广泛,但受木材自身的材性缺陷和环境因素的影响,木结构的服役寿命大大降低。因此,需要对木结构进行增强。目前,国内外对于胶合木梁增强研究主要是静力性能方面,动力性能研究方面还远远不足。因此,开展CFRP增强胶合木梁的静力性能试验研究和等幅疲劳性能试验研究具有理论意义和工程实用价值。本文研究工作和成果如下:(1)对CFRP增强胶合木梁进行静力荷载试验。通过静力荷载试验对3根试验梁进行极限荷载测定,分析其破坏形态。结果表明:CFRP布对胶合木的极限承载力有提升作用,相比未增强时胶合木梁理论值90.6kN提高13.5%;导致试验梁破坏的裂缝大多出现在有木节、斜纹等缺陷的位置,胶合木梁的破坏受木节、斜纹等缺陷的影响较大;试验梁在试验过程中经历了弹性阶段和塑性阶段,主要表现为弹性,塑性阶段极为短暂。因此,试验梁均表现为脆性破坏,CFRP能提高胶合木梁的极限承载力,但是不能改变其脆性破坏的形式;试验梁跨中应变沿梁高方向呈线性分布,说明试验梁符合平截面假定。(2)对3根CFRP增强胶合木梁进行等幅疲劳试验,分析了试验梁的疲劳破坏形态、疲劳后的静力荷载-挠度曲线、各阶段跨中沿截面高度的应变分布、刚度退化情况等疲劳性能。结果表明:疲劳荷载作用下,随着循环次数的增加,疲劳损伤逐渐积累,受压区木材首先屈服,随之试验梁发生疲劳破坏;各试验梁在设定次数的疲劳循环荷载后,其荷载-挠度曲线呈线性状态,随着循环次数的增加,曲线斜率逐渐降低;试验梁应变沿截面高度呈线性分布,符合平截面假定。(3)在疲劳荷载作用下,随着荷载等级的增大,疲劳损伤会迅速增加。对试验梁的刚度退化曲线进行曲线拟合,实际刚度与循环次数线性拟合程度较高,F-1、F-2和F-3的刚度退化曲线斜率分别为-1.84972、-1.90644和-5.07686;试验梁在等幅疲劳荷载作用下,疲劳荷载等级越高,刚度退化越快,疲劳寿命越短,F-1刚度退化了 15.6%之后发生破坏,F-2和F-3刚度分别退化了 9.1%和9.5%时发生破坏,因此,在实际工程中,如果构件刚度退化9%左右时,应警惕构件发生疲劳破坏;在应力水平分别为0.6σu、0.65σu、0.7σu,应力比为0.2时,F-1、F-2、F-3的疲劳寿命分别为1120985次、617317次、286484次,应力水平和应力幅值越大,疲劳寿命越短;相等疲劳荷载等级下,CFRP增强胶合木梁刚度退化速率较普通胶合木梁小,CFRP增强胶合木梁疲劳寿命更长。通过有限元数值模拟分析,结果显示,试验梁疲劳寿命随疲劳荷载增大而减小,寿命变化趋势和试验结果一致,试验梁实际寿命与数值模拟结果吻合较好。在0.6Pu疲劳荷载等级下,数值模拟结果和试验结果均未达到200万次,CFRP增强胶合木梁疲劳极限强度小于0.6Pu。对F-4和F-5进行有限元数值模拟,在0.57Pu和0.58Pu疲劳荷载等级下,其寿命分别为2107564次和1928563次,以200万次作为试验梁疲劳极限寿命,则CFRP增强胶合木梁的疲劳荷载极限在0.57-0.58Pu之间。
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