李威，高穎，孟鑫淼，胡祺斌，邱雅琴

（1.北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，木材科學與工程北京市重點實驗室，木質(zhì)材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京林業(yè)大學土木工程系，北京 100083）

預制裝配式木結(jié)構(gòu)建筑由于其節(jié)能環(huán)保、標準化程度高、施工周期短等優(yōu)點而越來越被廣泛應用［1］?！吨泄仓醒雵鴦赵宏P(guān)于加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》提出大力推廣裝配式建筑，在具備條件的地方倡導發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑［2］。住建部《“十三五”裝配式建筑行動方案》提出建立裝配式建筑技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)，推動“鋼?混”“鋼?木”“木?混”等裝配式組合結(jié)構(gòu)的研發(fā)應用［3］。但同時，國內(nèi)裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)仍不夠完善，施工水平也參差不齊，在安裝過程中會存在累計誤差影響安裝精度的問題。為此，新型的材料組合形式將有助于完善裝配式木結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)體系。

異形柱指的是形狀為L 形、T 形和十字形的柱［4］。異形柱結(jié)構(gòu)有利于施工時的安裝定位，同時由于具有房間得房率高、空間布置靈活等優(yōu)點而被應用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中［5］。但相應的，與傳統(tǒng)矩形柱相比，異形柱的抗震能力和受壓時的穩(wěn)定性會因為截面的異形而受到削弱［6］。為此有學者提出用型鋼混凝土的形式來提高其力學性能［7］，型鋼骨架可以使混凝土異形柱的軸心受壓［8］和偏心受壓能力［9］有很大提升。

鋼木組合異型柱與型鋼混凝土異形柱相似，可以通過木材與鋼材的組合和協(xié)同作用來確保結(jié)構(gòu)柱在異形截面下保持良好的力學性能。鋼木組合結(jié)構(gòu)常用于增加木質(zhì)結(jié)構(gòu)柱的承載能力，主要分為兩種形式：一種是木質(zhì)圓柱或方柱中間設(shè)置型鋼，再用膠黏劑與角鋼相連接［10-12］，包覆層可起到防止鋼材屈曲的作用，同時又可減少鋼材與外界空氣的接觸，防止其氧化生銹。另一種是在圓柱或方柱外圍包覆鋼材［13-14］，約束木材的橫向變形。目前對鋼木組合柱的研究主要圍繞在對鋼木組合柱承載力的分析預測以及結(jié)構(gòu)柱在受到荷載時鋼材與木材的共同工作情況。已有的研究認為規(guī)則形狀鋼木組合柱的軸向承載力相對于純木柱顯著提升［10］，木材的使用可以較大程度地提升強重比［13］。木包鋼的結(jié)構(gòu)形式可以使型鋼的屈曲行為得到很大的改善［11］，鋼材和木材可以通過膠黏劑結(jié)合而有效地共同承擔荷載［12］；鋼包木的結(jié)構(gòu)可以通過膠黏劑使木材和鋼材相連，可以改善木材裂縫、木節(jié)等天然缺陷對木材強度的影響，明顯改善木材破壞形態(tài)，起到加固木材、提升剛度的作用［14］。

雖然目前國內(nèi)外對鋼木組合柱進行了相關(guān)研究［15］，但是研究的均是規(guī)則形狀的柱體，木結(jié)構(gòu)建筑中的異形柱結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)外都未發(fā)現(xiàn)有研究和使用。考慮到木包鋼的結(jié)構(gòu)形式相對于鋼包木更加易于預制與維護，且外形美觀、安裝方便，本研究設(shè)計了兩組不同角鋼類型的角鋼?集成材組合L 形異形柱，作為框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)的角柱，并對其進行了軸壓試驗研究；以角鋼邊寬度對L 形柱正截面承載力的影響進行了試驗研究與有限元模擬分析。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）北美進口一級SPF 規(guī)格材（云杉?松木?冷杉），密度0.457 g/cm2，含水率13.99%。

2）型鋼：試驗采用熱軋等邊角鋼，角鋼相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 角鋼類型及尺寸Table 1 The type and size of angle steel

3）膠黏劑：水性乙烯基聚氨酯膠黏劑，用于結(jié)構(gòu)用集成材的制作；e?44 環(huán)氧樹脂膠和固化劑650聚酰胺樹脂，用于角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的膠合連接。

1.2 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了兩組角鋼?集成材L 形組合柱截面尺寸，如圖1 所示，同時設(shè)計了與L 形柱橫截面積相近的方形木柱作為對照組。其中L?S100 和L?S125 為角鋼集成材L 形柱，S?W196 為方形木柱。

圖1 試件截面示意圖Fig.1 The cross section of specimens

L 形柱和木柱使用的角鋼類型、試件長度和截面面積如表2 所示。

表2 試件類型及尺寸Table 2 The types and sizes of specimens

1.3 角鋼?集成材L 形組合柱的制作

1）結(jié)構(gòu)用集成材制備。將SPF 規(guī)格材使用水性乙烯基聚氨酯膠黏劑膠合，膠黏劑涂抹量250 g/m2，加壓溫度30 ℃，壓緊壓力3～10 kgf/m2，加壓時間60 min，分別制作成規(guī)格為113 mm×174 mm×500 mm 和113 mm×226 mm×500 mm 的結(jié)構(gòu)用集成材，開槽后嵌入角鋼。同時制作了規(guī)格為196 mm×196 mm×500 mm 的集成材作為對照木柱。

2）結(jié)構(gòu)用集成材開槽。將制作好的結(jié)構(gòu)用集成材進行銑形并開槽成截面形狀為圖2 所示、標注為1 和2 的兩根木柱，并使兩根木柱相互垂直相接。木槽與角鋼為間隙配合，間隙為0.5 mm。木柱2 與熱軋等邊角鋼（圖中標注為3）角部內(nèi)圓弧相接觸的部分倒圓角，半徑與熱軋等邊角鋼內(nèi)圓弧半徑相同（試件L?S100 為12 mm、試件L?S125 為14 mm）。

圖2 角鋼?集成材L 形組合柱組坯示意圖Fig.2 The manufacturing process of specimens

3）施膠與組坯。將環(huán)氧樹脂e?44（6101）和聚酰胺樹脂按照1∶1的比例攪拌均勻，然后將攪拌均勻的膠黏劑填充至結(jié)構(gòu)用集成材1、2 的槽內(nèi)后插入熱軋等邊角鋼3，使角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的空隙被填滿。涂膠時在兩根木柱1、2 之間的連接部位也施加膠黏劑，使其緊密連接，組坯時角鋼對稱軸和組合柱對稱軸重合。

4）加壓與校準。將已經(jīng)組坯完成的鋼木L 形組合柱上下左右四面加壓，加壓溫度為30 ℃，加壓時間48 h，加壓壓力3～10 kgf/m2，加壓時確保L形柱的角度為90°。

1.4 試件加載方案及設(shè)備

軸壓試驗使用濟南方辰wAw?2500B500t 作動器加載系統(tǒng)施加軸向荷載，參考美國標準ASTM D198?15《Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes》，在正式加載之前，對安裝好的試驗柱進行預加載，保證加載系統(tǒng)和量測系統(tǒng)正常工作。正式開始試驗后以1 mm/min 的均勻速度進行加載，試件破壞后承載力降至最大荷載的80%時停止試驗。

L 形柱兩端用特制夾具夾緊以減小端部開裂對試驗結(jié)果的影響，夾具與試件之間使用113 mm×113 mm×100 mm 的木質(zhì)墊塊以確保加載時的穩(wěn)定性，如圖3 所示。

圖3 試件加載裝置及夾具Fig.3 Experimental setup and instrumentations

試件的位移計和應變片布置如圖4 所示，采用東華測試公司DH3816 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行位移和應變的采集。在L 形柱中央截面的各個方向黏貼標距為100 mm 的電阻應變片，記錄荷載作用下的應變；在柱腳兩側(cè)各安設(shè)一個位移計，記錄軸向壓縮位移；在柱的中央截面的4 個方向各安設(shè)一個位移計，記錄跨中撓度值。對照組軸壓試驗加載制度與L 形柱相同。

圖4 量測裝置布置圖Fig.4 Measurement schematic view

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

試驗加載初期，試件各個方向的橫向位移相近，沒有明顯差別，說明在彈性階段，鋼木L 形組合柱各截面均勻受力。隨著荷載的持續(xù)增加，柱體的木質(zhì)部分開始出現(xiàn)裂紋，此時柱體仍能繼續(xù)承擔荷載；當荷載繼續(xù)增大時，裂紋開始增多并擴大，試件L?S100 裂紋出現(xiàn)在長邊處，而試件L?S125 的裂紋出現(xiàn)在短邊處，這是由于L?S125 試件的角鋼邊寬度較大、槽較深造成的。裂紋分為聚氨酯膠縫裂縫和木材本身開裂兩種。木材本身開裂時，長邊集成材出現(xiàn)側(cè)向鼓脹。試件各階段的破壞特征有所不同，圖5a 和5b 分別是試件L?S100 和L?S125 的最終破壞形態(tài)：L?S100 的集成材出現(xiàn)屈曲和斷裂，試件承載能力緩慢下降直到完全破壞，L?S125 的集成材中間部位出現(xiàn)壓潰斷裂，試件失去承載能力。

試件破壞后，兩塊集成材之間環(huán)氧樹脂膠層界面連接緊密，未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；角鋼內(nèi)側(cè)與集成材的膠合界面有較為明顯分離，膠層分離處粘連有木材，角鋼外側(cè)與木材的膠合依然緊密；角鋼的屈曲形狀與集成材鼓脹形狀一致，這是由于在彈性階段時，角鋼的橫向變形受到木材的約束，屈曲受到限制，從而較好地和木材共同承擔荷載，而在試件破壞時，由于膠黏劑的使用，角鋼和木材之間共同作用，一起產(chǎn)生橫向變形，所以破壞形狀相似。壓彎后的試件鋼材的頂部高度略低于集成材。

圖5 角鋼?集成材L 形組合柱破壞形態(tài)Fig.5 The failure modes of composite specimens

2.2 試件荷載?位移曲線

試件L?S100、L?S125 和S?W196 峰值荷載見表3，荷載?位移曲線見圖6，其中初期剛度取荷載位移曲線上0.1Pmax和0.4Pmax兩點的割線剛度。在加載的初期，3 根試件受力處于彈性階段，荷載隨位移線性增加。隨后進入屈服階段，荷載仍然在增加，但增加速率變小，此時鋼材進入屈服階段，試件進入彈塑性變形階段。當荷載增大到一定限值時，試件進入塑性階段。最終由于集成材屈曲或壓潰斷裂，試件荷載開始下降，然后達到破壞。試件L?S125 和木柱在達到最大荷載后的荷載位移曲線相似，開始均勻下降；試件L?S100 在達到最大荷載后荷載隨位移下降緩慢。試驗結(jié)果表明，試件L?S100 和L?S125 的最大荷載比木柱分別增加了37.0%和51.4%，試件L?S100 和L?S125 的剛度比木柱分別增加了36.5%和72.8%。從圖6d 可以看出，適當增加L 形組合柱中的角鋼邊寬度可以使承載能力有效提高，但是其短邊處的集成材易產(chǎn)生破裂。

表3 試件峰值荷載對比Table 3 The comparison of ultimate load among different specimens

圖6 試件荷載?位移曲線圖Fig.6 Load?displacement curve of specimens

2.3 試件截面應變分析

圖7 不同荷載下試件L?S100 和L?S125 各截面應變Fig.7 The cross section strain of species L?S125 and L?S100 under different levels of load

通過在試件中部黏貼的應變片，獲取試件的截面應變分布情況（圖7）。試件在加載過程中，截面應變在彈性工作范圍內(nèi)呈線性增長，最早進入塑形形變的部位先產(chǎn)生鼓脹破壞。不同試件縱向的應變在截面內(nèi)分布不同，L?S100 試件形心朝長邊方向產(chǎn)生偏壓，而L?S125 試件沿形心向L 形內(nèi)側(cè)偏壓。L?S100 試件面積較小的柱肢的縱向應變更大，可能是由于L?S100 角鋼在該柱肢內(nèi)的長度較短，導致膠合面積較小側(cè)集成材為較薄弱區(qū)，產(chǎn)生更大的應變，最早發(fā)生破壞與傾斜；L?S125 試件的角鋼具有更大的邊寬度，使兩段集成材受力較為均勻，靠近兩柱肢端部應變均較大。膠縫對長邊應變的應變影響較小，說明環(huán)氧樹脂膠工作性能良好。所有試件的L 形內(nèi)側(cè)應變均比長邊部位小，說明長邊是L 形柱應力較為集中的地方。

2.4 試件承載力與彈性模量理論分析

將試驗所得的L 形柱周圍的應變值通過Matlab 軟件，利用最小二乘法進行線性回歸模擬，得到柱軸心處的應變值，如表4 所示?；趶椥粤W理論，組合柱的名義彈性模量可按下述公式計算：

式中：E為名義彈性模量；Es（Eb）為鋼材（木材）彈性模量；Cs（Cb）為試件含鋼（木）率，即截面上鋼（木）占總截面面積的百分比。

表4 試件抗壓彈性模量對比Table 4 The comparison of compressive modulus of specimens

據(jù)此計算可知，L?S100 的彈性模量E為16.8 GPa，L?S125 的彈性模量E為18.9 GPa，試件L?S100 和L?S125 的計算值分別為理論值的94.9%和96.1%。公式（1）只考慮了兩種材料本身的彈性模量因素，而未考慮L 形柱異形截面對試件彈性模量有所影響，因此引入截面異形系數(shù)K對公式進行調(diào)整，如式（2）所示：

式中，K為截面異形系數(shù)。可以看出K的取值和角鋼的邊寬度有一定正相關(guān)關(guān)系，因為角鋼邊寬度的增加可以改善L 形柱異形截面對力學性能的不利影響。取K值為95%可以較好地擬合實際情況。

根據(jù)試驗結(jié)果，角鋼的屈服標志著整個試件開始進入塑性階段；試件達到的極限承載力值與彈性極限值之間有明顯塑形形變階段，塑性強化作用較為明顯。將試件達到的彈性極限值作為組合柱的受壓承載力。由此可得鋼木組合柱的承載力計算公式為：

式中：Nu為組合柱承載力；A為試件的截面總面積；бsy為鋼材屈服強度。試件的實際承載力比公式（3）算得的計算承載力高了8.3%～13.5%，這部分的差異是由于鋼材的屈曲受到木材限制，角鋼進入塑形強化階段，從而提高了最大承載力。

2.5 ANSYS 有限元模型分析

ANSYS 有限元分析采用SOLID 45 各向異性塑性材料實體單元定義木材，SOLID 185 單元定義鋼材，劃分網(wǎng)格如圖8，邊界條件與試驗一致。選取云杉的材料參數(shù)作為集成材的力學參數(shù)，表5、6列出了集成材和鋼材所用的材料參數(shù)，其中集成材材料參數(shù)參考《Wood Handbook》。加載過程為力加載。

圖8 試件有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Mesh results of finite element model

表5 集成材所用材料參數(shù)Table 5 The material parameters of glued laminated timber

L?S100 的有限元模擬結(jié)果見圖9。軸向變形的模擬計算值為3.12 mm，比試驗結(jié)果小14.33%～35.96%，這可能是由于有限元分析未考慮到木材在加載初期柱體端部的纖維細胞被壓密的情況。L 形柱的兩端木柱柱肢處位移較大，這與試驗過程中測得的L 形柱L?S125 周圍各點應變值變化情況基本一致。

表6 鋼材所用材料參數(shù)Table 6 Material parameters of steel

取柱高度中央截面軸心節(jié)點的應變和應力繪制應力?應變曲線，與試驗結(jié)果的對比如圖10 所示。從圖中可看出，應力?應變曲線的模擬值與試驗值的發(fā)展趨勢基本一致。初始階段模擬彈性模量比試驗值的彈性模量小，可能由于鋼材與木材之間設(shè)置的接觸對面積較大，產(chǎn)生較大的界面應力帶來的誤差。實際試驗中由于加工以及端面的個體差異，初始斜率大小呈現(xiàn)略微差異，在彈塑性階段應力?應變曲線擬合程度最好。取加載點處的豎向位移繪制荷載?位移曲線，如圖11 所示，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。模擬彈性模量與試驗值和理論計算值的對比見表7。從表中可發(fā)現(xiàn)角鋼邊寬度越大，鋼木L 形組合柱模擬所得的彈性模量越大，與試驗結(jié)果以及理論計算結(jié)果一致，誤差在10%以內(nèi)，ANSYS 有限元模擬結(jié)果基本可靠。

圖9 有限元分析中L 形組合柱位移變形圖Fig.9 The deformation of L?shaped composite column using FEA

圖10 試件有限元與試驗應力?應變曲線對比Fig.10 Experimental stress?strain curve of specimens compared with FEA results

表7 彈性模量對比Table 7 The comparison of elastic modulus

圖11 試件有限元與試驗荷載?位移曲線對比Fig.11 Experimental load?displacement curve of specimens compared with FEA results

3 結(jié)論

1）角鋼?集成材L 形組合柱相對于同截面面積的木柱承載能力上升37.0%～51.4%，剛度上升36.5%～72.8%。

2）適當增加鋼木L 形組合柱的角鋼邊寬度可有效提高其承載能力，但短邊處的集成材易發(fā)生破裂。

3）L 形組合柱的兩塊集成材之間的環(huán)氧樹脂膠合界面在破壞前后性能良好，承載力計算時需要考慮鋼材的屈服后強化作用。

4）ANSYS 有限元模擬的鋼木L 形組合柱彈性模量結(jié)果和試驗結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果基本可靠。