李彤桐 王超凡 洪浩凱 王秉鈞 朱成浩 李國(guó)東*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

薄壁鋼木組合梁承載力實(shí)驗(yàn)研究★

李彤桐 王超凡 洪浩凱 王秉鈞 朱成浩 李國(guó)東*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

采用試驗(yàn)方法，研究了3個(gè)梁試件受彎狀態(tài)下的力學(xué)性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，對(duì)鋼木組合梁的變形特點(diǎn)、應(yīng)力分布以及破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，鋼木組合梁延性好、承載力較高，完全可以滿(mǎn)足工程需求。

鋼木組合梁，方木，承載力，延性

我國(guó)倡導(dǎo)綠色、安全的建筑結(jié)構(gòu)，以膠合木為主的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)以及適于建造底層建筑的冷彎型鋼結(jié)構(gòu)符合政策導(dǎo)向，更具有發(fā)展前景。膠合木抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低，材質(zhì)脆性大，梁式構(gòu)件的跨越能力差，增強(qiáng)木梁是木結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)木梁的受力特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了對(duì)普通木梁進(jìn)行加強(qiáng)，以及一些提高其承載力及變形性能的措施，并進(jìn)行了相應(yīng)的研究，其中主要包括配置鋼筋或鋼絲和配置纖維材料兩方面。在配置鋼筋或鋼絲方面，文獻(xiàn)[1]在木梁內(nèi)部進(jìn)行張弦，從而形成預(yù)應(yīng)力張弦木梁，并通過(guò)1∶2比例的模型試驗(yàn)，證實(shí)了此種構(gòu)件比普通木梁在剛度上有較大的提高，給出了張弦木梁的撓度計(jì)算方法并分析了影響剛度的因素；文獻(xiàn)[2]～[4]對(duì)配置鋼絲的預(yù)應(yīng)力木梁和預(yù)應(yīng)力鋼木組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和理論分析，推導(dǎo)了集中荷載作用下上述構(gòu)件的撓度計(jì)算公式，并分析了腹桿及所施加的預(yù)應(yīng)力值對(duì)抵抗彎曲變形的影響。文獻(xiàn)[5]提出了一種在膠合木上、下表面開(kāi)槽，放入鋼筋后灌入樹(shù)脂膠形成的組合梁，通過(guò)擰緊下部鋼筋端部的螺帽來(lái)施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)膠合木梁、配筋膠合木梁以及配筋并加預(yù)應(yīng)力的膠合木梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明配置鋼筋后，梁的強(qiáng)度、剛度和延性都有顯著提高，施加預(yù)應(yīng)力能使梁的剛度和延性進(jìn)一步提高。

將薄壁鋼與方木組合一起形成的組合梁是一種全新的增強(qiáng)木梁的方式，通過(guò)薄壁型鋼與方木的截面組合不僅能發(fā)揮木材抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，還能避免薄壁鋼構(gòu)件局部屈曲和畸變導(dǎo)致的承載能力降低的缺點(diǎn)。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于上述組合方式的木梁的研究成果尚不明確，因此，設(shè)計(jì)制作了3根薄壁工字鋼與方木組合的鋼木組合截面梁，擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其受彎狀態(tài)下的變形特點(diǎn)、承載能力進(jìn)行研究。

1 鋼木組合梁及試件

工字型薄壁鋼膠接方木的組合截面梁是一種新型的增強(qiáng)木構(gòu)件，由工字型薄壁鋼、膠合方木、結(jié)構(gòu)膠粘層三部分組成，其構(gòu)造如圖1所示，構(gòu)件組合時(shí)將“工”字形薄壁鋼上表面涂高強(qiáng)度膠，將膠合方木材與之粘結(jié)為一體，形成以方木受壓、工字鋼大部分截面受拉的具有良好經(jīng)濟(jì)性能和實(shí)用性能組合。

試驗(yàn)梁長(zhǎng)3 000 mm。其中，工字型薄壁鋼材質(zhì)為Q235，截面尺寸為100×100×2.5，方木尺寸為100 mm×100 mm，選用了東北落葉松，符合《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的強(qiáng)度等級(jí)TC17的要求，粘結(jié)膠采用高強(qiáng)度木工接榫鐵膠。構(gòu)件示意圖如圖1所示。

2 鋼木組合梁承載力試驗(yàn)

2.1 加載設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用反力架配合千斤頂手動(dòng)加載的方式和對(duì)組合木梁進(jìn)行加載，分配梁由長(zhǎng)度為1 100 mm的工字鋼和兩個(gè)鋼軸組成，鋼軸間距1 000 mm，能將千斤頂施加的荷載以集中分力的形式作用于鋼—木組合梁的三分點(diǎn)上，木梁的兩側(cè)支座為鋼滾和三角鋼固定鋼支座，通過(guò)水平位移的控制使之滿(mǎn)足鉸支撐的條件，組合木梁下設(shè)鋼墊板，鋼墊板與組合梁的支承長(zhǎng)度為100 mm。

試驗(yàn)時(shí)設(shè)置了3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)以采集鋼木組合梁在加載過(guò)程中的豎向變形情況。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置一部機(jī)械式百分表，百分表的量程為100 mm，最小分度值為0.01 mm。測(cè)點(diǎn)1位于鋼木組合梁的跨中頂部，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3分別位于鋼木組合梁兩端的頂部。在梁跨中的工字梁的側(cè)面及下部布設(shè)3道應(yīng)變片；方木的上部及側(cè)邊同時(shí)布設(shè)3道應(yīng)變片，以采集梁的應(yīng)變數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

設(shè)計(jì)并制作3根鋼木組合梁，編號(hào)分別為ML1，ML2，ML3。每根組合木梁試驗(yàn)前先以20 kN的力加載3 min后卸載至0 kN，往復(fù)三次。然后采用逐級(jí)加載的方式對(duì)每組梁依次進(jìn)行試驗(yàn)，第一級(jí)加載為10 kN，第二級(jí)加載為10 kN，以后每級(jí)加載5 kN。每級(jí)加載完成后持荷5 min，逐級(jí)加載直至試件失效。

鋼木組合梁ML1加載至40 kN時(shí)，上部方木在梁距左側(cè)1 150 mm處出現(xiàn)斜向裂縫，加載至45 kN時(shí)，發(fā)出聲響，斜向裂縫開(kāi)展至梁底，裂縫附近出膠合面有脫離，不適于繼續(xù)加載，根據(jù)梁破壞的現(xiàn)象判斷，梁的破壞源于分配梁下鋼軸的局部擠壓導(dǎo)致的剪切破壞。因此在鋼木組合梁ML2，ML3試驗(yàn)時(shí)，將鋼軸下的墊板加寬至50 mm，梁ML2，ML3未發(fā)生類(lèi)似的破壞。

梁ML2加載至50 kN時(shí)，組合梁偶然發(fā)出“叭”的聲響，經(jīng)觀(guān)察未發(fā)現(xiàn)組合梁有損壞，停止加載后，跨中處的百分表示數(shù)穩(wěn)定，繼續(xù)加載至50 kN，加載中仍有聲響間斷發(fā)出，持載時(shí)觀(guān)察梁，發(fā)現(xiàn)加載點(diǎn)附近的方木與工字鋼的粘結(jié)層有裂隙，停止加載后，跨中處的百分表示數(shù)穩(wěn)定。繼續(xù)加載至60 kN，粘結(jié)層的裂隙逐漸出現(xiàn)在梁的純彎區(qū)段，但未連成片。加載至70 kN時(shí)，能清晰地聽(tīng)到木材劈裂聲，73 kN時(shí)在距梁端1 350 mm處木材破壞，在形態(tài)上是壓擠狀破壞。在加載60 kN至破壞時(shí)，位移測(cè)點(diǎn)的百分表讀數(shù)逐漸增大，表明梁發(fā)生了塑性變形。

梁ML3加載至45 kN時(shí)，組合梁偶然發(fā)出聲響，加載至50 kN時(shí)，加載點(diǎn)附近的方木與工字鋼的粘結(jié)層同樣出現(xiàn)了裂隙。繼續(xù)加載至55 kN，梁的純彎區(qū)段粘結(jié)層的裂隙逐漸顯現(xiàn)。加載至60 kN時(shí)，聽(tīng)到木材劈裂聲響，在距梁端1 280 mm處膠接處出現(xiàn)長(zhǎng)約30 mm的開(kāi)裂，繼續(xù)加載至65 kN開(kāi)裂處的裂縫擴(kuò)展至125 mm，裂隙處有部分區(qū)域粘結(jié)膠將方木下邊緣撕裂出裂縫。繼續(xù)加載至68 kN時(shí)，方木與鋼材的膠接大幅開(kāi)裂，方木沿膠接面的裂縫迅速開(kāi)展，直至貫通方木，加載試驗(yàn)停止。

試驗(yàn)結(jié)束后，觀(guān)察各個(gè)梁試件。其中梁ML1下部的工字鋼無(wú)明顯的形變；ML2，ML3的工字鋼發(fā)生了整體彎曲的形變，但工字鋼的上、下翼緣以及腹板未發(fā)現(xiàn)明顯的局部變形。

2.3 組合梁承載能力分析

通過(guò)對(duì)ML1，ML2，ML3組合木梁的試驗(yàn)，得到了梁?jiǎn)适С休d力時(shí)的極限荷載分別為45 kN，73 kN和68 kN。3根組合木梁的失效現(xiàn)象中，ML1是由加載方式不合理導(dǎo)致梁的局部損壞，ML2從試驗(yàn)現(xiàn)象上看是組合梁的上部方木達(dá)到了受壓強(qiáng)度極限值而發(fā)生的構(gòu)件損壞；ML3是膠接面局部開(kāi)裂導(dǎo)致了膠接面的失效，同時(shí)在開(kāi)膠區(qū)域，因鋼木接觸面的變化，導(dǎo)致了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力較大處的局部木材因受拉破損造成了材料上的缺陷，隨著后續(xù)的加載受損處的木材破壞急劇發(fā)展而導(dǎo)致了梁構(gòu)件的損壞。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，加強(qiáng)膠合面的膠合質(zhì)量是保證組合梁承載力的重要因素。

依據(jù)文獻(xiàn)[6][7]中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)組合梁的承載能力進(jìn)行估算，當(dāng)按彈性狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，組合梁的理論極限加載46.8 kN。當(dāng)按照完全塑性狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，組合梁的極限加載為117.5 kN，而ML2的實(shí)際加載為73.0 kN，是彈性理論估算值的1.56倍。表明組合梁在彎曲狀態(tài)下能較充分的發(fā)揮材料的強(qiáng)度。

通過(guò)位移數(shù)據(jù)和測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的顯示，表明ML2，ML3在前5級(jí)加載過(guò)程中呈彈性狀態(tài)，當(dāng)加載超過(guò)40 kN時(shí)，梁表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性變形特征，加載至破壞時(shí)梁跨中的變形量達(dá)到116 mm，說(shuō)明梁具有較好的延性。狀態(tài)具有明顯的塑性變形特征，試件ML2跨中位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示，工字鋼下翼緣處的應(yīng)變片9和方木上部的應(yīng)變片1的應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

3 結(jié)論及討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)3根薄壁工字鋼與方木組合的鋼木組合截面梁進(jìn)行了力學(xué)性能的研究，分析結(jié)果表明：

1)鋼木組合梁具有良好的承載能力。試件ML3的承載能力是彈性計(jì)算方法計(jì)算值的1.5倍，說(shuō)明組合梁在彎曲狀態(tài)下能較充分的發(fā)揮材料的強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)性良好。

2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示鋼木組合梁在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)組合梁將發(fā)生顯著的變形，改善了普通木梁的脆性破壞的缺點(diǎn)。

3)試件ML2因膠接部位的膠開(kāi)裂導(dǎo)致了構(gòu)件承載能力的降低，說(shuō)明鋼木組合梁鋼與木的膠結(jié)層是構(gòu)件的薄弱部位。保證鋼與木的膠結(jié)質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)組合梁良好承載能力以及變形能力的關(guān)鍵因素。

以上結(jié)論初步確定了工字鋼與方木相組合的組合梁力學(xué)性能，關(guān)于組合梁的承載力計(jì)算理論、設(shè)計(jì)方法以及鋼木之間可靠連接的構(gòu)造措施是有待深入研究的問(wèn)題。

[1] 張濟(jì)梅,潘景龍,董宏波.張弦木梁變形特性的試驗(yàn)研究[J].低溫建筑技術(shù)，2006(2):49-51.

[2] 狄生奎,宋 蛟,宋 彧.預(yù)應(yīng)力木結(jié)構(gòu)受力特性初步探討[J].工程力學(xué)，1999,2(sup):454-457.

[3] 狄生奎,韓建平,宋 彧.集中荷載作用下預(yù)應(yīng)力木梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].工程力學(xué)，2000(sup):248-251.

[4] 宋 彧,林厚秦,韓建平，等.預(yù)應(yīng)力鋼筋—木結(jié)構(gòu)受力性能的試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2003(1):54-60.

[5] Vincenzo De Luca, Cosimo Marano. Prestressed glulam timbers reinforced with steel bars[J].Construction and Building Materials,2012,30(5):206-217.

[6] GB 50005—2003，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] GB 50017—2006，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Experimental research on the bearing capacity of steel-wood composite beams★

Li Tongtong Wang Chaofan Hong Haokai Wang Bingjun Zhu Chenghao Li Guodong*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Three beams’mechanical properties under bending state was studied by experiment. Through the experiment phenomena and data, this kind of beams was analyzed from its deformation characteristic, strain distribution and the damage mechanism. The results show that the beams have good ductility, high bearing capacity, which can fully satisfy the project.

steel-wood composite beams， lumps of wood, bearing capacity, ductility

1009-6825(2016)13-0035-02

2016-02-28★:大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：201510225172)

李彤桐(1995- )，女，在讀本科生； 王超凡(1995- )，女，在讀本科生； 洪浩凱(1995- )，男，在讀本科生；

李國(guó)東(1976- )，男，講師

TU312

A

王秉鈞(1994- )，男，在讀本科生； 朱成浩(1996- )，男，在讀本科生