在我国新疆地区，现存有历史悠久的宫殿、庙宇、民居等木结构建筑(图1)，大多建于18世纪中期，古建筑年久失修，须对其修缮加固处理。木结构古建筑中常以长木柱作为偏压型构件，采用本地生长的杨木制作木柱构件便于就地取材。杨木在新疆地区具有分布广泛[1]、生长周期短等特点。但是杨木存在强度低、硬度小、耐磨性差、木节、易干裂翘曲、易虫蛀等缺陷[2]，因此，须对杨木构件进行加固处理以改善其力学性能，粘贴玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)作为一种适于木结构修缮加固的方法，与常用结构修缮加固方法(加钉法、螺栓加固法、加箍法等)相比，其具有质轻、高强、耐侵蚀、温度敏感性低和易于施工等优点。但GB 50005—2017《木结构设计规范》[3]和GB 50165—1992《古建筑木结构维护与加固技术规范》[4]未对杨木长柱的力学性能指标作详细说明，从而制约了其在木结构工程中的广泛应用。 因此，为了进一步推广新疆杨木在木结构建筑中的应用，对新疆杨木方形长柱进行了力学性能的试验研究[5-10]。
图1 木结构建筑
Fig.1 Timber structure
诸多学者对木结构和古建筑中的柱构件进行了力学性能相关研究，文献[11]介绍了采用胶黏增强复合材料加固短木柱的轴心受压力学性能试验研究，其材质多为花旗松、樟子松等树种，研究结果表明：木柱抗压强度提高了5%～50%，峰值应变提高了50.06%～94.95%，木柱的破坏形式主要呈现顺纹剪切错动破坏，粘贴纤维增强复合材料可有效地约束横向变形进而提高试件抗压承载力，并根据屈服准则建立加固木柱承载力的计算式。文献[12-14]介绍了对纤维增强复合材料加固方形杨木短柱进行的轴压试验，得出木柱承载力提高幅度中单层介于71.3%～75%，双层介于83.8%～86.9%。而学者对长木柱的试验研究相对较少，欧阳煜通过对碳纤维材料加固60 mm×60 mm×850 mm无节樟子松长木柱的偏压试验研究[15-16]，得出未加固木柱极限承载力为53.34 kN，延性系数为1.35。
综上所述，国内外学者主要研究了外粘贴纤维增强复合材料加固方形、圆形短木柱和圆形长木柱的力学性能试验研究，且树种多为松木，而对玄武岩纤维间隔粘贴加固新疆杨木方形截面长柱轴心受压力学性能试验研究相对较少。为了促进新疆杨木在本地区木结构建筑工程中的广泛应用及为相应标准提供借鉴，故对新疆杨木方形截面长柱的轴心受压力学性能进行深入试验研究。
1 试验研究
1.1 试验材料
试验木材采用新疆本地区杨木，加固纤维材料采用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维增强复合材料，试件黏合剂采用固特邦纤维复合材结构树脂胶JN-C3P，树脂胶配比为(质量比)树脂∶固化剂=100∶40。杨木、纤维材料及结构加固胶的主要力学指标详见表1。
1.2 木材含水率测定
新疆杨木按照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》[17]、GB/T 1928—2009《木材物理力学试
表1 材料的力学属性
Table 1 Material mechanical properties
名称抗拉强度/MPa弹性模量/GPa轴压强度/MPa断后伸长率/%杨木 115.610.405 36.9纤维布3 800～4 80095～1102.5～3.5加固胶53.92 885.1101.73.0
验方法总则》[18]规定进行含水率测定，试块尺寸为20 mm×20 mm(图2a)，采用干燥箱(型号：101-3 A)对木材试样进行含水率的测定，温度控制在(103±2) ℃，采用电子秤对试样质量进行称量(图2b)，测得木材含水率为9.21%，符合GB 50005—2017中对方木构件含水率不应大于25.00%的要求[3]。
a—试块； b—试块称量。
图2 含水率测定
Fig.2 Determination of water content
1.3 试验试件设计
参照GB 50005—2017中对试件截面尺寸的规定(最小截面尺寸100 mm×100 mm)和长柱高宽比限值的要求(木柱高度与边长之比不小于10时，定义为长柱)进行长柱构件设计。具体试件参数见表2，实物图见图3a。其中试件编号XJYC(iBj)中，XJYC为新疆杨木方形长木柱；i为加固方式，其中J为间隔贴；B为BFRP复合材料；j为BFRP粘贴层数。
表2 试件基本参数
Table 2 The basic parameters of the specimen
试件编号数量/个试件尺寸/mm加固材料加固方式XJYC(B0)3100×100×1 200—未加固XJYC(JB1)3100×100×1 200BFRP间隔1层XJYC(JB2)3100×100×1 200BFRP间隔2层
1.4 加载方案
在新疆大学结构实验室利用500 kN压力机对新疆杨方形长木柱进行力学性能试验，按照GB/T 50329—2002《木结构试验方法标准》[19]的规定，在试件顶面、底面及加载板中心处分别标记并对中，以保证试件在试验过程中稳定。试件加载方式采用静力连续加载，即：预加载试验阶段荷载采用每级5 kN缓慢加载且持续时间为3 min；当荷载达到极限荷载值的10%～80%时，每级加载为10 kN且持荷时间为3 min；当荷载达到极限荷载的80%时，采用每级加载4 kN且持荷时间为3 min；后续加载按照位移加载的方式进行，试验装置的加载点速度按照1.00 mm/s控制。
1.5 量测方案
试验中在试件中部、顶部位置分别布置4个水平位移计、2个竖向位移计用于测量试件的横向、纵向位移值，位移计型号均采用YDH-300，具体位置见图3a、3d。在轴心受压试件各面中部位置分别粘贴竖向、横向各1个应变片用于测量试件的竖向、横向应变值，在试件前后左右面的应变片布置位置详见图3b、3c。
a—实物及位移计布置； b—应变片粘贴位置及试件尺寸一； c—应变片粘贴位置及试件尺寸二； d—水平位移计布置。
图3 测点布置及试件尺寸
Fig.3 Measuring point arrangement and specimen size
2 试验现象
2.1 未加固柱试验现象
木柱破坏形态见图4，试件XJYC(B0)-01在中部偏下315 mm木节处，木纤维发生压溃，发展为纵向弯曲破坏；试件XJYC(B0)-02中部受压区段内侧木纤维出现褶皱现象并伴随有啪啪响声，同时受拉侧木纤维达到极限拉应变被拉断；试件XJYC(B0)-03在中部偏上约450 mm位置处木纤维被压溃后裂缝向上较快延伸，最终试件整体发生纵向弯曲破坏而丧失承载力。
a—XJYC(B0)-01； b—XJYC(B0)-02； c—XJYC(B0)-03。
图4 木柱破坏形态
Fig.4 The failure mode of poplar columns
2.2 间隔贴1层试验现象
木柱破坏状态见图5，可见试件XJYC(JB1)-01未加固区段内受压侧木纤维首先出现压溃现象，受拉侧木纤维被拉断，最终导致试件发生纵向弯曲破坏；试件XJYC(JB1)-02在中部偏下440 mm位置处受压侧木纤维发生局部受压褶皱现象，试件发生受压屈曲；试件XJYC(JB1)-03在中部偏上50 mm处发生破坏，现象与试件XJYC(JB1)-01基本一致。
a—XJYC(JB1)-01； b—XJYC(JB1)-02； c—XJYC(JB1)-03。
图5 木柱破坏形态
Fig.5 The failure modes of poplar columns
2.3 间隔贴2层试验现象
木柱破坏形态见图6，试件XJYC(JB2)-01在受压侧中部偏上5 mm处木节出现部分木纤维被压溃，最终试件发生纵向弯曲破坏；试件XJYC(JB2)-02中部偏下约110 mm未加固区段内木纤维发生大致呈45°剪切破坏；试件XJYC(JB2)-03在加载后中部位置偏上150 mm处发生受压侧木纤维被压溃，条形纤维布外鼓，并伴随咔咔响声，试件最终发生纵向弯曲破坏。
a—XJYC(JB2)-01； b—XJYC(JB2)-02； c—XJYC(JB2)-03。
图6 木柱破坏形态
Fig.6 Failure modes of poplar columns
3 试验结果及对比分析
3.1 承载力对比分析
由表3可知：试件采用间隔加固时，间隔贴1层、间隔贴2层相对于未加固试件的承载力提高幅度分别为8.75%、30.00%；粘贴两层BFRP布的试件相对于粘贴1层试件的极限承载力提高幅度为12.81%。这是由于横向粘贴BFRP布能够使纤维处于三向受压状态，随着试件的加固层数增加，增强复合材料对木纤维的横向套箍作用约束逐渐增强，木纤维与其外粘贴BFRP纤维布共同工作时，木柱抗压强度和BFRP的抗拉强度都能得到较充分利用，从而使木柱承载力提高，采用不同的粘贴方式、不同的层数对试件的承载力有不同程度的影响。
表3 木柱极限承载力对比
Table 3 Comparison of the ultimate bearing capacity of column limit
编号配布率/%极限荷载/kN极限荷载平均值/kN承载力提高百分比(与未加固对比)/%XJYC(B0)-01XJYC(B0)-02XJYC(B0)-030130135135133.33XJYC(JB1)-01XJYC(JB1)-02XJYC(JB1)-0345.83130145160145.008.75XJYC(JB2)-01XJYC(JB2)-02XJYC(JB2)-0391.66185180155173.3330.00
3.2 荷载-应变曲线
从图7可知，曲线总体变化趋势基本相同，对于未加固试件横向峰值应变、纵向峰值应变的均值分别为1 540.00、2 604.67，纵向应变为其对应横向应变的1.69倍；对于1层BFRP间隔加固试件横向峰值应变、纵向峰值应变的均值分别为1 293.83、3 192.50，纵向应变为其对应横向应变的2.47倍；对于2层BFRP间隔加固试件横向峰值应变、纵向峰值应变的均值分别为1 011.00、3 599.50，纵向应变为其对应横向应变的3.56倍。随着BFRP粘贴层数的增加，试件整体弹性模量增大，横向应变减小，纵向应变增加。1层间隔贴、2层间隔贴的试件横向应变相对于未加固试件的横向应变降低幅度分别约15.99%,34.35%；纵向应变提高幅度分别约为22.57%,38.19%。
a—未加固; b—1层间隔贴; c—2层间隔贴; d—3种试件对比。
图7 荷载-应变曲线
Fig.7 Load-strain curves
3.3 荷载-位移曲线
从图8可知，复合纤维BFRP加固试件后，试件的横向位移减小，纵向位移增加，随着加固层数的增加，效果显著。未加固试件的峰值横向位移、峰值纵向位移均值分别为57.78,51.27 mm；采用1层间隔加固试件的峰值横向位移、峰值纵向位移均值分别为55.30,54.85 mm；采用2层间隔试件的峰值横向位移、峰值纵向位移均值分别为29.59,61.33 mm。同时，1层间隔、2层间隔试件的横向位移相对于未加固试件的横向位移降低幅度分别约为4.29%、48.79%；纵向位移提高幅度分别为6.98%,19.62%。这是因为木材强度受纤维倾斜影响显著，长柱易发生侧向弯曲变形，当竖向荷载作用时，在粘贴方式相同的情况下随着BFRP纤维布粘贴层数的增加，纤维布能够有效约束木纤维横向变形，木柱的刚度、延性增大使其横向位移减小，纵向位移增加。
a—未加固； b—1层间隔贴； c—2层间隔贴； d—3种试件对比。
图8 荷载-位移曲线
Fig.8 Load-displacement curve
3.4 延 性
从表4可知:间隔贴1层、间隔贴2层相对于未加固试件的延性提高幅度分别为21.31%、29.51%。说明粘贴BFRP纤维增强复合材料后木柱变形能力得到有效改善，在地震作用时木柱的抗延性破坏能力增强。
表4 木柱延性系数实测值
Table 4 The measured value ductility coefficients of poplarcolumns
编号极限荷载/kN极限位移/mm极限荷载85%对应的位移/mm延性系数延性提高百分比/%XJYC(B0)133.3351.2741.981.22XJYC(JB1)145.0054.8537.121.4821.31XJYC(JB2)173.3361.3338.821.5829.51
注：木柱的延性系数为极限位移与极限荷载85%对应的位移的比值。
4 结束语
1)在试件的承载力方面，对木柱采用间隔贴1层、2层的加固方式相对于未加固木柱的承载力提高幅度分别为8.75%、30.00%。
2)通过对荷载-位移关系曲线的分析，1层间隔、2层间隔的试件横向应变相对于未加固的试件横向应变降低幅度分别为15.99%,34.35%；纵向应变提高幅度分别为22.57%,38.19%。
3)通过对试件的荷载-位移关系曲线对比可知，试件采用1层、2层BFRP纤维间隔加固后的纵向位移相对于未加固试件的纵向位移提高幅度分别为6.98%,19.62%，其横向位移降低幅度分别为4.29%,48.79%。
4)通过横向粘贴BFRP纤维布加固新疆杨木长柱构件，使木柱的延性增加，并且抗震性能有了进一步提高。
[1] 中国植物志编纂委员会.中国植物志第69卷第2分册[M]．北京: 科学出版社 2001.
[2] 《木结构设计手册》编辑委员会.木结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.木结构设计规范：GB 50005—2017[S]．北京:中国建筑工业出版社,2018.
[4] 中华人民共和国建设部.古建筑木结构维护与加固技术规范：GB 50165—1992[S].北京:中国建筑工业出版社,1992.
[5] TAHERI F,NAGARAJ M,CHERAGHI N．FRP-Rein Forced Glulaminated Columns[J]．FRP International，2005，2(3)：10-12．
[6] 许清风,朱雷. CFRP维修加固局部受损木柱的试验研究[J]. 土木工程学报，2007(8):41-46.
[7] 邵劲松,刘伟庆,王国民,等.FRP环向加固木柱轴心受压性能试验研究[J].玻璃钢/复合材料,2012(2):52-55.
[8] 邵劲松,薛伟辰,刘伟庆,等.FRP横向加固木柱轴心受压性能计算[J].土木工程学报,2012(8):48-54.
[9] 马建勋,蒋湘闽,胡平,等.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑,2005,35(8):35-39.
[10] 马建勋,胡平,蒋湘闽,等.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):40-44，55.
[11] 袁书成,梁危,王清远,等.横向应变对复合材料加固木柱极限承载力计算分析[J].建筑结构,2013(增刊1):806-810.
[12] 张萌,刘清,韩凤霞,等.纤维增强复合材料条带间隔贴加固新疆杨木短柱的轴心受压试验研究[J].工业建筑，2016，46(3):29-33.
[13] 徐瑞,刘清,韩凤霞,等.粘贴部位对玄武岩纤维加固新疆杨木梁抗弯性能影响的试验研究[J].工业建筑，2016，46(4):159-162.
[14] 韩风霞，刘清，杨静，等．碳纤维复合材料粘贴方式和层数对新疆杨木短柱轴压影响的试验研究[J]．工业建筑，2016，46(3):34-37．
[15] 欧阳煜,龚勇.碳纤维布加固破损木柱偏心荷载作用下的性能试验[J].上海大学学报(自然科学版),2012(2):209-213.
[16] 欧阳煜,王伟,龚勇,等.纤维增强复合材料加固偏压木柱的极限承载力研究[J].工业建筑,2012,42(10):146-149.
[17] 全国木材标准化技术委员会.木材含水率测定方法:GB/T 1931—2009[S].北京:人民出版社,2009.
[18] 全国木材标准化技术委员会.木材物理力学试验方法总则:GB/T 1928—2009[S].北京:中国标准出版社，2009.
[19] 全国木材标准化技术委员会.木结构试验方法标准:GB/T 50329—2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.