（江苏省建筑科学研究院结构所 南京 210008）

[摘要]：采用碳纤维布对杨木LVL梁、柱增强，制作试件进行试验研究。梁采用在生产过程将碳纤维布复合到LVL中的增强方式，柱采用外贴碳纤维布箍增强方式。通过试验选择了合理的梁、柱截面型式，试验结果表明碳纤维布增强杨木LVL梁、柱的承载力明显提高，其它受力性能也得到显著改善。

[关键词]：杨木LVL；碳纤维布；增强；复合；梁；柱；试验研究

速生杨木LVL可作结构材使用，为进一步提高其受力性能可以采用纤维材料对其增强，笔者采用碳纤维布对杨木LVL梁、柱增强并制作了一批试件进行试验研究，因篇幅限制，本文对试验情况作简要介绍，供相关研究人员参考。

在工厂制作LVL木梁及碳纤维布增强LVL木梁，长度均为3000mm，截面型式分两类。制作分两个步骤，先根据设计要求按原生产工艺制作LVL板，使用酚醛树脂胶粘剂，采用热压工艺。复合碳纤维布的部位采用环氧树脂胶粘剂，采用冷压工艺将碳纤维布复合到LVL木梁受拉区。梁截面型式见图1。

 

Ⅰ类梁                             Ⅱ类梁

图1 梁制作图

梁运至试验室后在试验室粘贴碳纤维布箍。本次试验制作碳纤维布增强LVL木梁12根。Ⅰ类梁3根，1号梁为未增强梁，2、3号梁为增强梁且外贴100宽净距200碳纤维布箍。Ⅱ类梁9根， 1～2号梁未增强，3～5号梁增强未外贴碳纤维布箍，6～7号梁增强且外贴100宽@200碳纤维布箍，8～9号为增强加100宽@100碳纤维布箍梁。制作完成的实物见图2。

    

图2 梁成品图

增强用碳纤维布采用南京彤天科技实业有限责任公司生产的彤天牌CFW200(200g)碳纤维布，其配套Lica结构胶制作的浸渍片材，经测试，碳纤维浸渍片材抗拉强度标准值为3490MPa，拉伸弹性模量为2.2×10⁵ MPa。杨木旋切片单板厚度1.7mm，制作的LVL木梁含水率经测试含水率均低于15%。酚醛树脂胶，固含量49%，粘度100秒，密度1.3g/ml。

试验加载装置采用5000kN长柱压力机，两点加载，加荷点距支座900 mm，加荷点间距1000mm，分级加载。试验过程中测量：架设百分表测读支座及跨中位移变化；粘贴应变片测读梁跨中截面应变及碳纤维布箍应变（因工厂制作工艺原因，梁中增强碳纤维布无法粘贴应变片）；观察记录破坏形态。

1、2、3号梁试验过程中挠度均随荷载增加而逐渐加大，破坏前没有预兆，破坏时发出“砰”的巨响，在杨木LVL胶粘层平面发生层间剪切破坏，属脆性破坏。1号梁有两个破坏面，破坏面位于梁截面高度方向距上、下面各1/3处， 2、3号梁破坏面位于梁截面高度方向距顶部1/3高度处，破坏形式如图3所示。试验梁从剪切破坏面处分成2-3个小梁，仍可继续承受一定的荷载。试验过程中对梁底复合的碳纤维布观察，没有发现滑移或剥离现象。

     

                      1号梁破坏图                     3号梁破坏图

图3Ⅰ类梁破坏图

梁抗弯承载力及挠度见表2。

Ⅰ类梁试验结果                   表2

三根梁的荷载－挠度曲线图见图4

图4 Ⅰ类梁荷载-挠度曲线图

2、3号梁碳纤维布箍上布置的应变片，试验中测得的数值均不大，2号梁最大应变为630 ，3号梁仅260 ，最大应变位置位于剪弯段靠近加载点附近的碳纤维布箍上。测读数据表明碳纤维布箍对梁的增强效果不明显。

所有9根梁在试验过程中挠度均随荷载增加而逐渐加大，破坏前均没有明显可见裂缝，接近破坏时因挠度较大梁弯曲明显。碳纤维布增强的梁在接近破坏时发出“啪、啪”的响声，最后伴随 “砰”的一声巨响梁底碳纤维布及木质纤维同时拉断而破坏；未增强梁接近破坏时没有响声，伴随 “砰”的巨响梁底木质纤维拉断而破坏。所有梁的破坏形式均为梁底纤维拉断破坏。碳纤维布增强的梁从初始受力至破坏，碳纤维布未发生滑移或剥离现象，锚固情况良好。从破坏梁的底部观察，梁底胶缝多处错动，实际上梁已从错动的胶缝处分裂成数个宽度较小的梁。梁加载过程中，两个加载点均不同程度出现凹陷，梁断裂位置均位于纯弯段且靠近凹陷较深的加载点。梁的典型破坏形式如图5所示。

    

(a)增强未加箍梁          (b) 增强、加箍梁           (c) 梁底破坏情况

图5 Ⅱ类梁破坏图

各试验梁的破坏荷载见表3。

破坏荷载比较                          表3

组别	编号	破坏荷载（kN）	平均值（kN）		承载力提高（%）
对比梁，未增强	1	185	200		/
	2	215
增强梁，未加箍	3	215	238	239	19.0	19.5
	4	241
	5	258
增强梁，100宽@200CFRP箍	6	230	230		15.0
	7	230
增强梁，100宽@100CFRP箍	8	240	250		25.0
	9	260

 

因各种原因，5号梁测读数据无效未列出，其它梁的荷载－挠度曲线详见图6。因梁破坏具有突然性，梁接近破坏时拆除了百分表，破坏时的挠度未测出。

图6 梁荷载-挠度曲线

图6表明经碳纤维布增强的LVL木梁刚度及破坏荷载都有所提高。梁初始受力时，变形不大，碳纤维布增强效果不明显，但随着荷载、梁变形加大碳纤维布受力也随之增加，增强效果逐渐发挥且越到后期效果越明显。所有LVL木梁在破坏时挠度均较大，基本达到30mm以上（达到跨度的1/100以上）。《规范》规定，受弯构件中梁和搁栅的挠度限值为L/250。各试验梁破坏时的挠度均已超过限值，实际使用中不允许，说明杨木LVL受弯构件可承受的荷载实际是由变形控制的。

碳纤维布箍应变测读数值均不大。测读数据较大的碳纤维布箍都处于梁剪弯段，纯弯段的碳纤维布箍应变很小，个别测点甚至出现负值。所有梁中，测读到的最大应变为762 。应变测试结果及破坏荷载、挠度测试结果均表明碳纤维布箍对梁的增强作用不大。

对于荷载垂直于胶缝平面的Ⅰ类梁，试验共进行了3根，均发生了胶层剪切破坏。参考文献^[2]中对杨木LVL梁（型式同本次试验Ⅰ类梁）进行的抗弯试验共做了20根，其中8根发生胶层剪切破坏，这表明Ⅰ类梁发生胶层剪切破坏的几率非常大，如采用Ⅰ类梁作为实际结构中的梁构件，结构可靠度得不到保证，后果严重；从破坏后的梁底特征看，Ⅱ类梁在试验过程中胶层也破坏了，实际上在受力后期，梁已从破坏的胶层处分裂成若干小梁，但并不影响梁继续承载，分裂后的小梁可以共同承受荷载，不会出现Ⅰ类梁整体刚度和承载力突然下降的情况，因此，直到最后破坏都仍可以把梁视为整体。Ⅱ类梁都以底部纤维拉断而破坏，木材材料强度得到了充分发挥。Ⅰ类、Ⅱ类梁受力过程中胶层都发生破坏，但后果不同，Ⅰ类梁不能继续承载，而Ⅱ类梁受力几乎不受影响。

试件制作分两个阶段：第一阶段在工厂制作LVL，锯切成LVL木柱，根据截面型式不同分Ⅰ类柱和Ⅱ类柱。第二阶段试验柱运至试验室后，外贴一定数量碳纤维布箍。试验柱详细情况见图7，表4。

图7 柱制作图

试验柱制作参数表                            表4

注：Ⅱ类2号柱端部未采用碳纤维布增强，试验过程中发生局部承压破坏,为防止后续试验再出现局部承压破坏情况，在其它试验柱端部100mm均采用两层碳纤维布包裹增强。

对柱施加轴心压力，试验加载装置采用5000kN长柱压力机，分级加载。每级加载100kN至1000kN，再每级加载50kN，至接近破坏时酌情增减加载量至破坏。试验过程中测量：试件纵向变形；粘贴应变片测读柱表面纵向应变及碳纤维布箍横向应变；观察记录破坏形态。

Ⅰ类柱破坏呈现多种情况：1号柱为对比柱，仅端部用碳纤维布加强，试验过程中， 1号柱加载接近破坏时，柱脚部位加强碳纤维布箍发出“噼、叭”的断裂声，荷载继续加大，在柱中部出现皱褶后木材压溃，承载力随即下降，柱破坏；2号柱接近破坏时，柱脚部位碳纤维布箍发出断裂声，荷载继续加大，柱脚LVL胶层分离，外侧LVL单板屈曲凸出，碳纤维布全部拉断后，承载力立即下降，柱破坏；3号柱接近破坏时，柱中部碳纤维布箍发出的断裂声，两侧沿胶缝出现裂缝，荷载继续加大，裂缝宽度加大，碳纤维布箍断裂声加剧，碳纤维布整体断裂后柱外侧LVL单板屈曲、外凸丧失承载力破坏；4号柱破坏前没有明显征兆，在上部碳纤维布箍之间自由段LVL出现皱褶后木材压溃，承载力随即下降，柱破坏；5号柱破坏时，上部碳纤维布箍之间自由段LVL出现皱褶，LVL单板屈曲凸出，碳纤维布箍拉断，破坏同时出现3、4号柱的特征；6号柱破坏时柱下部碳纤维布拉断，柱整体压屈破坏。从破坏形式上看，1、4、6号柱属于材料破坏，2号柱为局部承压破坏，3、5号柱兼有材料破坏、LVL单板屈曲破坏特征。各柱破坏时柱上下端均不同程度出现局部承压破坏特征。各试验柱的破坏形式如图8所示。

图8Ⅰ类柱破坏状况

Ⅱ类柱破坏也呈现多种情况：1号柱为对比柱，试验过程中， 1号柱接近破坏时，柱一侧沿胶层出现竖向裂缝，裂缝宽度随荷载加大而增加，最后柱侧分离出的LVL板失稳破坏；2号柱端部未采用碳纤维布增强，发生端部局部承压破坏；3号柱接近破坏时柱头部位碳纤维布箍发出的断裂声，荷载继续加大，柱头LVL胶层分离、LVL单板整体丧失稳定向外倾斜屈曲，碳纤维布断裂后，承载力下降、柱破坏；4、5号柱破坏前没有明显征兆，在碳纤维布箍之间自由段LVL出现皱褶后，木材迅速压溃，最外侧LVL单板向外凸出，承载力下降，柱破坏，不同的是4号柱破坏靠近柱下端，5号柱破坏靠近柱上端；6号柱破坏木材整体压屈，并出现整体失稳状况。从破坏形式上看，4、5、6号柱属于材料破坏，1号柱为失稳破坏，2、3号柱为局部承压破坏。各柱破坏时，柱上下端均不同程度出现局部承压破坏特征。

    

 

图9 Ⅱ类柱破坏状况

LVL是由很多木材单板胶合而成，若承受竖向压力不均匀将导致局部单板受力偏大首先发生破坏并引起其它单板的破坏，降低柱承载力。试验中，所有柱（2号柱除外）均在端部采用两层碳纤维布加强，破坏时仍不同程度出现局部承压破坏特征，表明LVL柱受竖向荷载时端部是薄弱环节，应采取可靠措施确保端部平面平整、受力均匀，对柱端部区域也应采取特别措施进行加强，以避免发生局部承压破坏。

试验情况表明柱在承受竖向荷载时，胶层是薄弱环节。柱破坏的发生基本是从胶层开裂开始的，先破坏的胶层将柱分成截面较小的竖向杆件，分裂后的竖向杆件截面小、长细比大，破坏形式为失稳破坏，这种特征在Ⅰ类3号柱、Ⅱ类1号柱破坏时表现的十分明显，其它柱表现的虽然不明显，但在柱的局部区域或多或少都存在这种现象。

组成LVL柱的木材单板较薄，承受压力时，若胶层破坏失去约束会产生挠曲失稳，最外层单板约束少最易发生。由于外侧单板挠曲失稳退出工作后将使截面的有效承载部分减小，且使截面变的不对称，虽然不会立即导致整个截面破坏，但相邻的内侧单板因失去约束也会陆续发生失稳，促使破坏加速发生。单板挠曲的临界力和板的厚度、受压边的边长有关，厚度相同时，边长越大，临界力越小。试验中，Ⅱ类柱单板受压边长度较大所以发生挠曲可能性大，其承载力也比Ⅰ类柱承载力小。另外，单板长度大受力不均匀可能性加大，这也是Ⅱ类柱容易产生挠曲的原因。

各试验柱的极限承载力情况见表5。

                               试验柱极限承载力情况表                      表5

试验柱荷载-位移曲线见图10。

图10 柱荷载-竖向位移曲线

由图10可以看出，经碳纤维布箍增强，柱承载力显著提高，塑性流幅阶段也较未增强柱明显，曲线平缓应变增幅加大，延性得到明显改善。碳纤维箍对提高柱的承载力、延性起了显著作用。

各试验柱的木材、碳纤维荷载-应变曲线见图11。

（a）Ⅰ类柱荷载-应变曲线                   （b）Ⅱ类柱荷载-应变曲线

图11 荷载-应变曲线

图11给出了木材压应变及碳纤维布应变随荷载变化的荷载-应变曲线。图（a）、（b）显示，碳纤维布拉应变、木材压应变均随荷载增加呈线性增长，碳纤维布应变增长速度稍稍滞后。碳纤维布应变约为1500 没达到碳纤维布的极限拉应变，说明木材受压时横向的应变不是很大，这是木材本身的材料特性所决定的。

试验表明，LVL柱在受力过程中，胶层是薄弱环节，易首先开裂。两类梁比较，Ⅱ类柱更容易产生胶层开裂的情况，在没有碳纤维布约束时，承载力较低。使用碳纤维布增强后，木材单板的局部失稳情况得到改善，两类柱的承载力相应提高，虽然相同情况下，Ⅱ类柱承载力提高幅度较大，但Ⅰ类柱始终比Ⅱ类柱承载力高。配箍率增加到一定程度，柱只发生材料破坏，两类柱的承载力基本相等。从经济角度考虑，碳纤维布价格相对较高，通过提高碳纤维布体积配箍率增大LVL柱承载能力得不偿失。综上所述，采用Ⅰ类柱形式承受竖向荷载较为合适，为防止发生胶层开裂，可以用适当体积配箍率的碳纤维布箍进行增强。

本次试验共进行了3根Ⅰ类梁及9根Ⅱ类梁的破坏试验，通过试验观察的现象及试验结果分析，可以得到如下基本结论：

1) 用杨木LVL作受弯构件，采用荷载平行于胶层平面的Ⅱ类梁型式是合理可行的，Ⅰ类梁型式则不应采用；

2) 采用碳纤维布对Ⅱ类梁增强，梁刚度、破坏荷载均大幅提高，增强效果显著。复合在LVL中的碳纤维布受到木材包裹，使用时不易受到破坏；复合工艺中的加压步骤使碳纤维布与木材结合紧密，不会发生采用外贴增强方法时产生的剥离破坏，碳纤维强度得到充分发挥。采用这种方式增强的Ⅱ类梁其受力性能得到大大提高，增强方式可行；

3)Ⅱ类梁不论是否增强，其破坏形式均为受拉区纤维拉断破坏，破坏发生突然，且伴随纤维拉断的巨响。LVL木梁接近破坏时变形明显，破坏虽突然发生但仍可以预见，可视为延性破坏；

4) 因增强作用不明显，在杨木LVL木梁上外贴碳纤维布箍没有必要；

5) 根据《规范》的规定，LVL木梁可承受的荷载由挠度控制；

6) 本次试验梁截面配布率较小约为0.06%，可以预见，随配布率提高，LVL木梁抗弯承载力、刚度提高将更显著；

7) 碳纤维布增强LVL木柱的破坏有多种形式，应尽量避免发生局部承压破坏和失稳等非材料破坏形式；

8) LVL木柱用碳纤维布箍增强后的承载力和延性得到显著的提高，且提高幅度与碳纤维布的间距关系密切，增强使LVL木柱受力达到材料破坏后，没有必要继续提高碳纤维布配箍率；

9) 未增强情况下，Ⅰ类柱比Ⅱ类柱极限承载力大，采用碳纤维布增强后，Ⅰ类柱仍比Ⅱ类柱极限承载力大但相差不大，且随配箍率增加，最终承载力趋于一致。实际应用宜采用Ⅰ类柱型式。

 

 

参考文献

[1] 丁烨 苏北意杨材性及FRP复合木结构的试验分析和研究 [D]：[硕士学位论文].南京：东南大学土木工程学院，2005

[2] 董国庆 单板层积材(LVL)受弯构件的结构性能研究 [D]：[硕士学位论文].南京：南京工业大学，2005

[3] 木结构设计规范 GB50005-2003

[4] 祝金标 碳纤维布破损木梁的试验研究 [J] 工业建筑，2003，35 (10)：16-18

[5] 周钟宏、刘伟庆 碳纤维布加固木柱的轴心受压试验研究 [J] 工程抗震与加固改造，2006，28 (3)：44-48

[6] 马建勋 胡平 碳纤维布加固木柱轴心抗压性能试验研究 [J] 工业建筑，2005，35 (8)：40-44

 

第一作者简介：

李世宏，男，1972.3出生，江苏省建筑科学研究院结构所，高级工程师，南京市北京西路12号，210008，025-83278538，13505159024。