长期蠕变测试后未加固与玄武岩-FRP加固胶合木梁的结构评估

《Construction and Building Materials》：Structural assessment of unreinforced and Basalt-FRP-reinforced glulam beams following long-term creep testing

　　

摘要

研究表明，在木梁中使用增强材料可提升其短期弯曲性能；然而，其长期行为更为复杂，尤其是在变化的气候条件下。此外，此类构件的极限行为仍未得到充分理解，因为超长期测试在实践中难以实现。本研究对36根未加固和玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）加固胶合木梁开展了为期431.2周的四点弯曲蠕变测试，测试分别在恒定和变化的气候条件下进行。首先，对6根梁在完全受控的变化气候条件下进行了为期三年的含水率（MC）监测，结果表明蠕变行为强烈受水分驱动。未加固梁表现出快速的早期变形，而加固梁则呈现出更为渐进的响应。研究人员对水分与蠕变之间的耦合效应进行了定量评估，发现加固梁具有更高的敏感性。对431.2周蠕变系数的分析表明，机械吸湿蠕变比粘弹性蠕变高出2–3倍，而加固措施始终能够减少变形。在八种校准模型中，5-Kelvin–Voigt模型提供了最佳的总体表现和可靠的长周期预测。预测值显示，变化气候条件下的梁介于服务等级SC2和SC3之间，而恒定气候条件下的梁则接近SC1。最后，在蠕变阶段结束后进行的四点弯曲破坏性测试表明，未加固梁发生脆性拉伸破坏，而加固梁则表现为拉伸与粘结相关的复合破坏模式，且在变化气候条件下变异性增加。研究人员还观察到初始与最终测试之间整体弹性模量出现了意外增长（10–16%）。

论文解读：长期蠕变测试下未加固与BFRP加固胶合木梁的结构性能研究

**研究背景与意义**

纤维增强聚合物（FRP）已在木结构加固领域得到广泛认可，大量研究表明其在新结构建造以及既有结构升级加固中具有显著效果。然而，由于后勤和技术方面的挑战，FRP加固木构件长期行为的系统研究极为匮乏。木结构工程产品的长期响应主要可分为两类：粘弹性响应，即在恒定气候条件下由荷载引起的变形；以及机械吸湿响应，即由气候条件变化（尤其是相对湿度波动）引发的附加变形。随着大截面木构件在高耸建筑中的日益普及，构件所面临的气候条件更为严苛和复杂，这进一步凸显了长期蠕变研究的重要性。然而，开展足尺构件的长期蠕变测试需要能够在持续荷载下监测变形并维持环境条件的专用设施，且完全的环境控制成本高昂。现有文献中的多数研究局限于小尺寸试件或控制条件不完善的环境。本研究针对爱尔兰本土云杉制成的胶合木梁，在超过八年的时间内开展长期四点弯曲蠕变测试，旨在阐明加固措施及气候条件对粘弹性与机械吸湿蠕变响应的差异影响，为FRP加固木结构的设计与评估提供可靠的长期数据支撑。

**主要技术方法**

研究人员在爱尔兰戈尔韦大学木材工程实验室制作了36根胶合木梁，其中20根在底部受拉层嵌入两根直径12 mm的玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋。试验分为恒定气候（20±2 °C，相对湿度65±5%）和变化气候（相对湿度在65%与90%之间循环）两种环境条件。蠕变加载采用四点弯曲构型，研究人员使用千分表监测跨中挠度，应变片测量上下表面应变，并选用若干梁嵌入含水率探针（MCP）进行长期含水率（MC）追踪。蠕变阶段结束后，研究人员按照EN 408标准开展四点弯曲破坏性测试，采用位移控制加载（10 mm/min），利用Dartec 500 kN万能试验机记录荷载-位移数据，同时使用激光位移传感器和应变采集系统同步获取变形和应变信息。

**研究结果**

**中期机械吸湿变形（第3节）** 通过对前三年的MC监测数据分析，研究发现含水率随相对湿度（RH）循环呈两阶段响应——先快速变化后延迟稳定，延迟期约3–3.5周。未加固梁的峰值MC略高于加固梁。研究人员定义了机械吸湿耦合参数α（= |Δd_c/ΔMC|，即蠕变挠度变化与含水率变化之比）。结果表明，加固梁对水分变化的敏感性更高（α均值0.21），未加固梁为0.16。在吸收阶段，加固梁α均值0.24显著高于未加固梁的0.15，而解吸阶段两者差异较小（0.18对0.17）。未加固梁在第一个循环内即产生接近总积累量的变形，而加固梁变形发展更为渐进和均匀。

**长期蠕变行为评估（第4节）** 基于28根梁431.2周的监测数据，蠕变系数定义为纯蠕变变形与瞬时弹性变形之比。变化气候条件下梁（UV和RV组）的最终平均蠕变系数分别约为1.399和1.204，是恒定条件下对应组（UC=0.511，RC=0.442）的约3倍，表明机械吸湿蠕变比粘弹性蠕变高出2–3倍。加固措施在恒定条件下使蠕变系数降低6%–14%，在变化条件下降低14%–22%。在八种蠕变模型（幂函数、Burgers以及1至6个Kelvin-Voigt元件）的拟合比较中，5-Kelvin–Voigt模型综合表现最佳，全局R2最高（变化气候约90%–95%，恒定气候约62%–63%）。基于该模型对50年和100年的长期预测表明，恒定气候条件下梁的蠕变系数（UC=0.65，RC=0.51）接近SC1级别（k_def=0.6），而变化气候条件下梁（UV=1.79，RV=1.56）介于SC2和SC3之间（k_def分别为0.8和2.0）。

**极限结构强度评估（第5节）** 破坏性测试显示，未加固梁主要发生受拉脆性破坏，裂缝通常起始于节疤等应力集中区域，并沿多个层板快速扩展。加固梁则表现出拉伸开裂与粘结界面退化复合的破坏模式，变化气候条件下界面脱粘更为显著，表明环境湿度循环对粘结系统产生了不利影响。整体弹性模量方面，加固梁均值（RC=11,845 N/mm2，RV=12,157 N/mm2）高于未加固梁（UC=10,669 N/mm2，UV=11,159 N/mm2）。值得注意的是，所有梁的最终弹性模量相比初始测试增长了10%–16%，且加固梁增幅更大（RC和RV约15.6%–15.8%），该现象与蠕变通常导致刚度降低的预期相反，具体机制尚无法确定。延性评估表明，RC组延性最高（μ=1.94，能量吸收2.28 kJ），RV组次之（μ=1.66，1.82 kJ），而UC组和UV组延性均较低（μ=1.22，能量吸收分别为1.01和1.19 kJ），反映了未加固梁的脆性破坏特征。

**研究结论**

本研究对36根未加固和BFRP加固胶合木梁在恒定和变化气候条件下进行了431.2周的四点弯曲蠕变测试。在最初三年的监测中，MC紧密跟随RH循环，呈现出一致的两阶段吸收/解吸响应，稳定期约3–3.5周。加固梁的峰值MC略低，可能受胶粘剂和加固体系的影响。研究人员引入蠕变-湿度耦合参数α量化MC变化与蠕变变形的耦合作用；加固梁表现出更高的敏感性（α≈0.21），而未加固梁为α≈0.16。变化气候条件诱发显著的机械吸湿蠕变，未加固梁对湿度变化响应更快，而加固梁在连续循环中变形积累更为渐进。对431.2周蠕变系数的分析揭示了行为响应的显著差异：变化气候条件下的机械吸湿蠕变系数约为恒定条件下的2–3倍，加固措施在两种环境中均持续减缓蠕变变形。在八种蠕变模型中，5-Kelvin–Voigt模型表现出最佳的预测能力，尤其适用于机械吸湿情形。长期预测（50年及100年）表明，恒定条件下梁的蠕变水平处于SC1服务等级范围内，而变化条件下则介于SC2与SC3之间，具体分类取决于是否采用加固措施。未加固梁主要表现为脆性拉伸破坏且延性较低，加固梁则呈现受拉伸开裂和粘结/界面退化共同控制的混合破坏模式。变化气候条件增加了破坏的复杂性和变异性，尤其在加固构件中环境效应加剧了界面退化。恒定条件下加固梁的延性最高，变化气候下延性降低约16%。初始与最终弹性模量的比较显示出10%–16%的意外增长，与蠕变通常引起的刚度退化趋势相反。应变片测量在拉伸区提供了较为一致的应力趋势，但压缩区数据的可靠性受限，限制了对完整应力状态及中性轴位置的评估。上述发现强调了将环境暴露影响纳入木结构设计、评估和维护规划的重要性，尤其是在湿度波动显著的场景中。然而，本研究的定量结果针对所测试的特定材料和构型——即西加云杉（C16等级或类似等级的其他云杉）、BFRP加固以及PRF胶粘剂体系，其结论向其他木材种类、加固率、胶粘剂体系或梁几何构型的推广仍需进一步研究。