赵志高，肖忠平，束必清，李晨，张苏俊

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

碳纤维增强重组竹梁的抗弯性能

赵志高，肖忠平*，束必清，李晨，张苏俊

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

研究了重组竹梁在碳纤维增强聚合物(CFRP)两种加固方法后的抗弯承载力特性和破坏模式，第一种加固方法为仅在重组竹梁受拉区的底部粘贴CFRP，第二种加固方法为在重组竹梁受拉区的底部和所有指接位置均粘贴碳纤维布，对加固后的重组竹梁进行竖向荷载作用下的静力加载抗弯试验。试验结果表明：重组竹梁经过第一种方法加固后，其极限承载能力比加固前提高了14.0%，对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比未加固前的重组竹梁提高了6.5%；第二种加固方法与第一种相比，其极限抗弯承载能力并未得到提升，反而有所下降，但是对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比加固前提高了19.6%。使用CFRP底部加固后，重组竹梁的抗弯承载力和变形性能相比加固前得到了明显的改善。

重组竹梁；碳纤维增强聚合物加固；抗弯性能；静力试验

竹材是节能环保的生物质绿色材料，具有强度高、质量轻、可再生和环境友好等特点[1-5]。我国竹材资源十分丰富，因此，开发和利用竹材资源，扩大竹材在建筑和桥梁结构领域的应用范围，对于实现建筑环保和经济社会可持续发展具有重要意义[6-8]。近年来，竹材在土木工程中的应用逐渐被重视[9-12]。竹结构中的受弯构件(如重组竹梁等)常会因干缩裂缝以及荷载的长期作用等，使重组竹梁的刚度退化，挠度增大，也会因种种原因导致梁的强度降低。此外，环境作用会降低重组竹梁的耐久性，因此，需要加固修复，恢复其整体性和抵抗环境作用的能力。重组竹梁的抗弯承载能力相对较低，需要加大梁的截面才能提高抗弯承载能力，这会导致梁结构自重增大，经济性下降[13]。近年来，国内开始利用碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固木结构，但对CFRP加固重组竹梁的研究还较少。

笔者通过采用不同方式加固重组竹梁的纯弯试验，分析CFRP加固重组竹梁的破坏特征以及CFRP对重组竹梁的抗弯承载力和变形性能等的影响，以期为此类加固修复工程的设计与施工提供参考。

1 材料与方法

1.1 重组竹梁试件制备

制备试件的原料为重组竹(含水率8.9%、密度1.1 kg/m3、弹性模量6 989.4 MPa、静曲强度107.57 MPa)、碳纤维增强聚合物(抗拉强度标准值为3 400 MPa、受拉弹性模量2.4×105MPa、伸长率1.7%)、迪固A级碳纤维胶。共制备8根足尺重组竹梁试件，试件尺寸100 mm×200 mm×2 100 mm；每根重组竹梁由4根预先压制好的尺寸为50 mm ×100 mm ×2 100 mm的小重组竹梁通过涂胶并施压粘接，4根小重组竹梁中存在纵向指接接头(接头位置随机分布，胶接时4根小重组竹梁的指接接头应避免出现在同一横截面上)。试件制备工艺流程见图1。

图1 试件制备工艺流程Fig. 1 Sample preparation process

1.2 试验设计

采用两种碳纤维增强聚合物加固方案，每组4根试件。第一种为仅在重组竹梁受拉区底部粘贴CFRP(图2)，试件编号为DJL-1～4；第二种为在重组竹梁受拉区底部和所有指接位置均粘贴CFRP(图3)，试件编号为DCJL-1～4。

图2 第一种加固方法Fig. 2 The first reinforcement method

图3 第2种加固方法Fig. 3 The second reinforcement method

图4 测点布置及加载情况Fig. 4 Layout of the measuring points andloading conditions

采用YJ-ⅡD型恒载试验机(烟台新天地试验技术有限公司)进行加载，采用DH3815N-3数据采集箱(江苏东华测试技术有限公司)采集数据。重组竹梁两端简支，中间两点加载，如图4所示。正式加载前，预先加载和卸载5 kN载荷两次，以检查装置是否正常并消除仪器接触不良的现象。试验采用逐级加载法，加载初期以0.1 kN/s的速率加载；加载至1 kN时，再以0.5 kN/s的速率加载；当试件弯曲变形接近破坏时，加载速率降为0.1 kN/s，以便观察重组竹加载后的具体破坏过程并测量极限荷载[14]。为测量重组竹的跨中挠度，需在试件跨中架设YHD-50型电测位移计，并在重组竹梁侧面等距粘贴6个应变片。

2 结果与分析

2.1 试验现象及破坏特征

第一种加固方法所制重组竹梁在加载试验后会出现两种破坏现象。

图5 第一种加固方法的第一种破坏形态Fig. 5 The first failure mode of the beam using the first reinforcement method

第一种破坏情况如图5所示。试验中，重组竹梁在加载初期基本处于弹性阶段；随着荷载的增加，跨中挠度和应变逐渐增大，而支座处的位移可忽略不计；当荷载继续增大，可以听到轻微的响声，但表面没有出现明显的裂缝；加载后期，约至极限荷载的80%时，可听到重组竹梁指接处开裂的响声，构件挠度增加速度变快；达到极限荷载时，伴随爆裂声，重组竹指接处开裂，指接处的CFRP被拉断，而其他区域的竹纤维未发现被拉断的情况，重组竹梁发生破坏。卸载后，试件变形得到很大程度的恢复，整个试验过程中CFRP粘贴效果良好，未出现剥离情况。

第二种破坏情况如图6所示。试验中，重组竹梁在加载初期基本处于弹性阶段；随着荷载的增加，DJL-3试件底部指接处出现开裂，但此时CFRP没有被拉断；荷载继续增大，梁受拉区的变形受到限制，受拉和受压变形不一致，造成梁在中性轴位置出现纵向贯穿性裂缝，在梁端部可看到梁被分成明显的上下两部分。

图6 第一种加固方法的第二种破坏形态Fig. 6 The second failure mode of the beam usingthe first reinforcement method

第二组加固方法所制重组竹梁在加载试验后的破坏情况如图7所示。

1)DCJL-1试件底部纯弯段没有指接，破坏时，由于底部和侧面粘贴CFRP，梁受拉区的变形受到限制，受拉和受压变形不一致，导致梁在中性轴位置出现纵向贯穿性裂缝，在梁端部可看到梁被分成明显的上下两部分。梁底部受拉区未出现裂缝，CFRP粘贴情况良好，梁的承载力提升不明显，说明重组竹梁的粘接情况对其承载能力影响较大。

2)DCJL-2试件底部纯弯段有指接，破坏时，纯弯段底部指接处首先出现开裂，并伴随有爆裂声，CFRP被拉断，梁底部出现裂缝，该梁的承载能力相比未加固梁的承载能力基本没有提升。

图7 第二种加固方法的破坏形态Fig. 7 The failure mode of the beam using thesecond reinforcement method

3)DCJL-3试件达到承载能力的70%时，重组竹梁出现裂响，梁跨中底部的CFRP出现断裂，导致梁的破坏，CFRP加固失效。

4)DCJL-4试件在达到最大承载能力时，梁的纯弯段变形较大，但未出现断裂情况，在梁的剪弯段出现了横向裂缝。

2.2 抗弯承载能力及截面刚度分析

第一种加固方法的抗弯承载能力测试结果如表1所示。由表1可知，重组竹梁经过第一种加固方法加固后，其极限承载能力比未加固时[15]提高了14.0%，提高幅度较大。对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比未加固前的重组竹梁提高了6.5%，提高幅度也较大，说明CFRP的高强度特性限制了重组竹梁的变形，增大了截面静曲刚度。重组竹梁在经过CFRP加固后，压应变增大，其受压区变形明显增大，在一定程度上发挥了受压区的承载能力，从而提高了重组竹梁的承载能力。因此，CFRP的加固效果明显。在试验中还发现，粘接胶对CFRP的性能会产生一定影响，导致CFRP的脆性增加，在实际应用中应加以注意。

表1 第一种加固方法的抗弯承载能力测试结果Table 1 Bending bearing capacity test results of the beam using the first reinforcement method

注：L/250为规范中梁控制挠度。下同。

第二种加固方法的抗弯承载能力测试结果如表2所示。从表2可以看出，与第一种加固方法相比，其极限抗弯承载能力并未得到提升，反而有所下降，但是对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力相比未加固时提高了19.6%，表明第二种加固方案可提高梁的刚度。

表2 第二种加固方法的抗弯承载能力测试结果Table 2 Bending bearing capacity test results of the beam using the second reinforcement method

2.3 截面应变分析

第一种加固方法时试件(限于篇幅，此处仅以DCJL-1试件为例进行分析说明，下同)荷载与跨中截面各测量位置处的应变关系曲线见图8。在整个加载过程中，受压区和受拉区各测点的荷载-应变关系基本都近似为线性变化，仅在后期表现出一定的非线性。各试件临近破坏时，受拉区竹纤维的最大拉应变一般为4 000～6 000 με，相比未加固前的最大拉应变有所降低，受拉区在一定程度上受到了CFRP的约束。受压区竹纤维的最大压应变一般为-5 000～-3 000 με，相比加固前的变形有一定增长，表明在CFRP的作用下，重组竹梁的承载能力有一定的提升。

图8 第一种加固方法时各梁的荷载-应变曲线Fig. 8 Load-strain curves of each beam using thefirst reinforcement method

第二种加固方法时试件荷载与跨中截面各测量位置处的应变关系曲线见图9。在整个加载过程中，受压区和受拉区各测点的荷载-应变关系基本都近似为线性变化，部分梁由于材质的不均匀出现了一定阶段的非线性变化。各试件临近破坏时，受拉区竹纤维的最大应变一般为3 500～6 000 με，部分梁的最大拉应变相比第一种加固方法有所降低，受拉区在一定程度上受到了底部和侧面CFRP的约束。受压区竹纤维的最大压应变一般为-6 000～-2 500 με，受压区的变形相比第一种加固方法有一定的增长，表明在CFRP的作用下，重组竹梁的承载能力有一定的提升。

图9 第二种加固方法时各梁的荷载-应变曲线Fig. 9 Load-strain curves of each beam using the secondreinforcement method

2.4 荷载-挠度曲线

第一种加固方法的荷载-挠度曲线如图10所示。由图10可以看出，使用CFRP底部加固后，重组竹梁的荷载-挠度曲线包围的面积增加，说明其变形性能相比加固前得到了明显的改善。

图10 第一种加固方法时各梁跨中处的荷载-挠度曲线Fig. 10 Load-deflection curves across the middle of eachbeam using the first reinforcement method

第二种加固方法的荷载-挠度曲线如图11所示。由图11可以看出，使用第二种加固方法后，极限荷载相比第一种加固方法略有下降，但对于挠度达到其正常使用的极限状态时的承载能力比第一种加固方法的重组竹梁提高了5.6%。

图11 第二种加固方法时各梁跨中处荷载-位移曲线Fig. 11 Load-deflection curves across the middle of eachbeam using the second reinforcement method

2.5 平截面应变

两种加固方法时各梁跨中应变沿截面高度的变化分别如图12和13所示。重组竹梁底面经过CFRP加固后，截面应变基本满足平面假定。在整个加载过程中，截面的中和轴位置基本保持不变，处于截面中心偏下位置，偏向受拉区，从另一方面也说明，重组竹梁的抗压强度并没有被充分释放。

图12 第一种加固方法时各梁跨中应变沿截面高度的变化图Fig. 12 Variation of the midspan strain along thecross-section height of each beam using the firstreinforcement method

图13 第二种加固方法时各梁跨中应变沿截面高度的变化图Fig. 13 The variation of the midspan strain along thecross-section height of each beam using the secondreinforcement method

3 结 论

1)加固后的重组竹梁主要出现两种破坏模式：第一种为重组竹指接处开裂，同时指接处的CFRP被拉断；第二种为梁底部指接处开裂，但CFRP没有被拉断，荷载继续增大后，梁在中性轴位置出现纵向贯穿性裂缝。

2)通过两种不同的加固方法，重组竹梁的抗弯承载能力得到了比较明显的提升，两种加固方法下的抗弯承载能力分别比加固前提升了14.0%和19.6%，加固效果明显。

3)使用CFRP加固后，重组竹梁的荷载-挠度曲线包围的面积增加，说明其变形性能相比加固前得到了明显的改善，截面应变基本满足平面假定。在整个加载过程中，截面的中和轴位置基本保持不变，处于截面中心偏下位置，偏向受拉区。

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Flexuralbehaviorofcarbonfiberreinforcedpolymerreinforcedbambooscrimberbeam

ZHAO Zhigao, XIAO Zhongping*, SHU Biqing, LI Chen, ZHANG Sujun

(Architectural Engineering Institute, Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225127, Jiangsu, China)

The load bearing characteristics and failure mode of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) reinforced bamboo scrimber beam using two different reinforcement methods were investigated. The first reinforcement method was to attach the CFRP at the bottom of the tension region of the bamboo scrimber beam, while the second reinforcement method was to attach the CFRP at the bottom of the tension region of the bamboo scrimber beam and all the finger-joint sections. The reinforced bamboo scrimber beams were subjected to the bending test. The results showed that the ultimate load-bearing capacity of the bamboo scrimber beam was 14.0% higher than that of the unreinforced one, and the deflection ultimate load-bearing capacity of the bamboo scrimber beam was 6.5% higher than that of the unreinforced bamboo beam. Compared with the first reinforcement method, the bending ultimate reinforcement capacity of the beam using the second reinforcement method was not improved but decreased, and its ultimate load-carrying capacity was lower than that of the first reinforcement method. However, the deflection ultimate load-carrying capacity of the bamboo scrimber beam was 19.6% higher than that of the unreinforced bamboo beam. After the reinforcement of the CFRP attached at the bottom of the tension region, the load bearing and deformation performance of bamboo scrimber beam were markedly improved.

bamboo scrimber beam; carbon fiber reinforced polymer reinforcement; bending performance; static test

2017-02-11

2017-05-02

2016年江苏省建筑产业现代化示范基地项目；扬州市建设科技计划项目(201606)。

赵志高，男，讲师，研究方向为木材科学与技术。

肖忠平，男，教授。E-mail:fafuxzp@163.com

TU531.3

A

2096-1359(2017)06-0127-06