楊孝博，王解軍，陳 強(qiáng)，2，王智豐

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000）

隨著物質(zhì)生活的富裕，人們崇尚自然、提倡環(huán)保的意識(shí)不斷增強(qiáng)，木結(jié)構(gòu)建筑以節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念越來(lái)越受到關(guān)注。傳統(tǒng)的工程用木材生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)幾十年，可利用資源少，大徑材林木更少，木材供需的結(jié)構(gòu)性矛盾十分突出[1]。膠合木結(jié)構(gòu)既解決了木結(jié)構(gòu)防火防腐性差的問(wèn)題，又能利用小型鋸材，在提高木材利用率的同時(shí)降低成本，能滿(mǎn)足大截面、大跨度構(gòu)件的需要。

一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了對(duì)木結(jié)構(gòu)的研究。Chen,Qiang[2]進(jìn)行了竹-原木組合梁受彎試驗(yàn)，表明竹材和木材能夠協(xié)同工作。王解軍[3]制作含有不同膠縫缺陷率的木梁試件，探究膠縫缺陷對(duì)承載力的影響。楊濤[4]提出一種正交膠合木T 梁構(gòu)件形式，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性與耐久性。Cihat Tascioglu[5]、Taheri[6]、朱雷[7]、許清風(fēng)[8]等作者在木柱加固方面做了深入研究，提出了FRP、CFRP等加固方法，獲得了大量成果。

邵勁松[9]建立屈服荷載和屈服應(yīng)變的計(jì)算公式,探討受載后試件的工作機(jī)理和破壞模式。曾 丹[10]對(duì)不同長(zhǎng)細(xì)比的落葉松膠合木柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到長(zhǎng)柱穩(wěn)定承載力穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)驗(yàn)算式。劉雁[11]對(duì)木柱長(zhǎng)期荷載作用下的蠕變性能開(kāi)展工作，建立了蠕變本構(gòu)方程。Matthias Theiler[12]等人對(duì)比多國(guó)規(guī)范提出了基于應(yīng)變的新型承載力計(jì)算方法。吳堅(jiān)晶[13]提出了一種新型豎嵌CFRP 層板增強(qiáng)的膠合木柱。目前對(duì)空心膠合木柱的受壓性能研究較少，本文利用膠粘劑將小型鋸材膠合成木柱，達(dá)到圓木柱相近的抗壓承載力。制作了3 根木柱進(jìn)行軸心受壓承載力試驗(yàn)，記錄在加載過(guò)程中破壞形態(tài)、撓度、承載力、應(yīng)變的變化情況。

1 膠合木柱試件

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3個(gè)試件，試件截面尺寸為外徑340 mm、內(nèi)徑232 mm、長(zhǎng)度為1 000 mm，按照長(zhǎng)細(xì)比分類(lèi)為短柱，如圖1 所示。試件由小型鋸材膠合而成，膠黏劑為間苯二酚樹(shù)脂膠黏劑，保證其膠合強(qiáng)度不低于木材順紋抗剪和橫紋抗拉強(qiáng)度。加工過(guò)程中對(duì)鋸材目測(cè)分級(jí)，保證每個(gè)試件強(qiáng)度基本一致。參照GB/T1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》[14]測(cè)得該批膠合木的含水率為13%。通過(guò)計(jì)算對(duì)截面等份劃分，刨削制作了20根相同尺寸拱形鋸材，并制作了3個(gè)鋼套圈對(duì)木柱定型膠合，用膠粘劑進(jìn)行膠合時(shí)施加2 N/mm2壓力，最后養(yǎng)護(hù)整形。

本試驗(yàn)?zāi)静倪x用樟子松，為了獲得材料性能，對(duì)5個(gè)短柱試件進(jìn)行了試驗(yàn)，規(guī)格為80 mm× 80 mm×240 mm，參 照GB /T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]測(cè)得抗壓彈性模量為 8 230 MPa、抗壓強(qiáng)度為23.24 MPa。

圖1 膠合木柱試件示意圖Fig.1 Diagram of specien

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用湖南城市學(xué)院土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室5 000 kN 壓力試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變數(shù)據(jù)選用XL2101C 程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集。壓力試驗(yàn)機(jī)上下均采用球鉸，保證了試驗(yàn)過(guò)程中試件受力均勻。為了監(jiān)測(cè)試件受力過(guò)程中的位移和變形情況，在試件高度方向3/4、1/2、1/4 處設(shè)為A、B、C 共3個(gè)測(cè)面，每個(gè)測(cè)面的6 分點(diǎn)處環(huán)向間隔布置軸向和水平應(yīng)變片各3個(gè)，一共18個(gè)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在試件高度方向1/2 處4 分點(diǎn)處環(huán)向放置了4個(gè)X、Y 方向相互垂直的位移計(jì)測(cè)量柱中側(cè)向位移。加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

為保證試驗(yàn)過(guò)程中木柱的軸心受壓，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段采取幾何對(duì)中與物理軸線(xiàn)對(duì)中措施。利用幾何對(duì)中可以保證構(gòu)件截面型心、壓力機(jī)球鉸中心及壓力機(jī)中線(xiàn)在同一條縱向軸線(xiàn)上。物理軸線(xiàn)對(duì)中的方法，在正式加載前應(yīng)對(duì)試件預(yù)加載，使9個(gè)縱向應(yīng)變片的讀數(shù)值和9個(gè)橫向應(yīng)變片讀數(shù)值相差在5%以?xún)?nèi)。試驗(yàn)以0.3～0.5 kN/s 的速度勻速加載至試件破壞。每級(jí)荷載為30 kN，并讀出各級(jí)荷載下的應(yīng)變值和百分表數(shù)值，數(shù)據(jù)由XL2101C 程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，觀察并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

3.1 破壞形態(tài)

基于3 根空心膠合木柱軸心受壓性能試驗(yàn)，分析了試件的破壞形態(tài)，試件典型破壞形式如圖3所示。A-1 試件在荷載增至790 kN 時(shí)，發(fā)出劈裂聲，柱中部出現(xiàn)橫向裂縫，荷載增至860 kN 時(shí)，裂縫朝橫向繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)荷載增至930 kN 的過(guò)程中，試件由于裂縫增大，柱中側(cè)向位移迅速增大，靠近柱中位置橫向出現(xiàn)褶皺引起壓屈破壞。A-2 試件在荷載增至810 kN 時(shí)，柱上部出現(xiàn)橫向裂縫，當(dāng)荷載增至1 000 kN 時(shí)，木柱底部出現(xiàn)褶皺環(huán)向長(zhǎng)度是周長(zhǎng)的一半，進(jìn)而壓屈。A-3 試件在荷載增至780 kN 時(shí)，出現(xiàn)“嘭”的聲音，當(dāng)荷載增至 880 kN 過(guò)程中，試件底部出現(xiàn)較長(zhǎng)橫向褶皺，破壞前有明顯預(yù)兆。

圖2 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置三視圖Fig.2 Test deviceand three views of measuring points

圖3 空心膠合木柱典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure modes of hollow glued wood column

3.2 試驗(yàn)主要結(jié)果

表1 給出了受壓性能試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果，其中：Npeak為試件軸壓極限荷載；σ為試件軸壓極限應(yīng)力，εpeak為試件軸壓極限應(yīng)變。

3.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)各個(gè)試件的A、B、C3個(gè)測(cè)面橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變進(jìn)行了記錄，對(duì)每個(gè)測(cè)面的應(yīng)變?nèi)∑骄?，試?yàn)所得荷載-平均應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。

表1 空心膠合木柱特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of characteristic parameters of hollow glued wood column

通過(guò)分析圖4 中3個(gè)試件的荷載-平均應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，可以得出以下結(jié)論：

在整個(gè)受壓過(guò)程中，各試件縱向應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同，存在彈性階段和彈塑性階段。在彈性階段中應(yīng)變曲線(xiàn)斜率不變，呈線(xiàn)性關(guān)系。曲線(xiàn)斜率隨著荷載增加隨之減小，試件由彈性階段過(guò)渡到彈塑性階段，直到試件達(dá)到峰值荷載。隨著變形的增加，承載能力快速下降，柱中側(cè)向變形增大并出現(xiàn)壓屈的現(xiàn)象，進(jìn)而木柱失去承載能力。

圖4 荷載—平均應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation curve of load-average strain

在受壓過(guò)程中，試件橫向應(yīng)變變化趨勢(shì)有所差別，與試件制作誤差、木節(jié)、截面弧度有關(guān)。從圖4b 可看出A-1 柱橫向存在受壓變化，與軸向壓應(yīng)變相近，位于長(zhǎng)度3/4處，整體呈現(xiàn)出線(xiàn)性增加趨勢(shì)。A-2 柱橫向應(yīng)變整體最小，同時(shí)承載力最高。

3.4 荷載-位移關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到各試件的荷載-側(cè)向位移曲線(xiàn)、荷載-軸向位移曲線(xiàn)，比較圖中數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

由圖5 可知：1）在加載初期，由于試件制作缺陷和物理偏心，使得試件存在微小側(cè)向位移；2）在加載前半段，構(gòu)件主要承受壓應(yīng)力作用，柱中側(cè)向位移變化幾乎為零。當(dāng)荷載加載到最大荷載80%左右，側(cè)向位移突然增大，隨著荷載的增加呈線(xiàn)性增大，最大側(cè)向位移為1.4 mm；3）A-1試件與A-2 試件的側(cè)向位移存在幾個(gè)增長(zhǎng)臺(tái)階，這是由于木材屬于各向異性材料，存在一定的層積效應(yīng)，在加載過(guò)程中木材數(shù)次緊實(shí)；4）側(cè)向位移最大的A-2 柱同時(shí)承載力也是最大，空心膠合木柱的允許變形范圍大。

圖5 荷載—柱中側(cè)向位移關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relation curve of load-column lateral displacement

由圖6 可知：1）構(gòu)件主要承受壓應(yīng)力，在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著荷載的繼續(xù)增加，軸向位移均勻增大；2）當(dāng)荷載加載到最大荷載的80%左右，軸向位移達(dá)到6mm 左右后均突然增大，這是因?yàn)槟静木植康鸟薨櫤湍z合面縱向開(kāi)裂，構(gòu)件失去承載能力；3）在加載過(guò)程中，荷載-軸向位移曲線(xiàn)具有一定的塑性階段，試件破壞不是突然發(fā)生，屬于延性破壞。

圖6 荷載—軸向位移關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curve of load-axial displacement

3.5 承載能力

取5 根樟子松短柱軸壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為承載能力穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算依據(jù)，根據(jù)GB50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[16]算式對(duì)相關(guān)試驗(yàn)組進(jìn)行計(jì)算：

式中：1φ為本試驗(yàn)穩(wěn)定系數(shù)值；Npeak為試件的穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值；A為試件受壓面積；fu為短柱試件抗壓強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

查得樟子松鋸材的強(qiáng)度等級(jí)為T(mén)C13，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)按式（2）和式（3）計(jì)算：

式中：2φ為按GB50005—2017 計(jì)算的理論穩(wěn)定系數(shù)值；?為試件長(zhǎng)細(xì)比；fck為受壓構(gòu)件材料的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ek為構(gòu)件材料的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值；ac、bc、cc為規(guī)范取值的材料相關(guān)系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定承載力 0N按式（4）計(jì)算：

其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

將空心膠合木柱環(huán)形截面積換算為圓形，得圓木柱直徑為248 mm，按規(guī)范計(jì)算得圓木柱穩(wěn)定承載力為1 059 kN，穩(wěn)定系數(shù)為0.94。對(duì)比分析可得：采用空心膠合木柱后，計(jì)算承載力達(dá)到1 094 kN，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了0.97，均有所提高，但從表2 可知，試驗(yàn)所得承載能力穩(wěn)定系數(shù)值比規(guī)范計(jì)算值有降低，穩(wěn)定系數(shù)為0.90，試驗(yàn)效果欠佳，主要由于木節(jié)缺陷、初始偏心造成，在木柱受壓過(guò)程中對(duì)穩(wěn)定承載力有影響，A-2 柱最接近理想情況。在受壓過(guò)程中木柱有外擴(kuò)，橫向存在拉力，導(dǎo)致承載力有所降低。采用空心形式后，相較同截面積的圓木柱，空心膠合木柱承載力有所提高，整體穩(wěn)定性更加好，改善受力性能。

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

在木柱軸心受壓試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行分析，材料為各向異性材料，通過(guò)工程常數(shù)定義材料，順紋彈性模量為 8 230 MPa，橫紋徑向彈性模量為825 MPa，橫紋切向彈性模量為411 MPa。采用8 節(jié)點(diǎn)的C3D8R單元，在劃分網(wǎng)格時(shí)，沿木柱高度方向劃分50個(gè)網(wǎng)格，環(huán)形截面劃分120個(gè)網(wǎng)格。柱頂施加均布面荷載，邊界條件類(lèi)型為位移/轉(zhuǎn)角，柱頂限制X、Y 方向位移、柱底限制了X、Y、Z 方向位移，兩端均不約束轉(zhuǎn)角的邊界條件。通過(guò)分析獲得膠合木柱軸心受壓柱中縱向、橫向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示，材料在彈性階段理論值與試驗(yàn)值吻合程度較好，材料滿(mǎn)足廣義胡克定律。整體來(lái)說(shuō)，有限元結(jié)果小于試驗(yàn)結(jié)果，這是由于有限元分析是一種理想分析，沒(méi)有考慮材料本身的缺陷。

表2 試件受壓性能的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果?Table 2 The calculation and experimented results of the compressive properties of specimens

圖7 試驗(yàn)值與有限元結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental results and finite element results

如下圖8 所示，沿柱高方向木柱順紋和橫紋應(yīng)變分布均勻，其中由于兩端附近應(yīng)力集中，應(yīng)變比柱中稍大。順紋方向柱身應(yīng)變?yōu)?.9×10-3，橫紋方向?yàn)?.6×10-4左右，將數(shù)值分析結(jié)果與膠合木柱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果比較吻合。從分析結(jié)果可知，木柱縱向每個(gè)側(cè)面的應(yīng)力分布均勻，順紋應(yīng)力大于橫紋方向，柱頂面和底面的應(yīng)力分布基本相同。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)3 根空心膠合木柱試件的軸心受壓性能試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1）利用粘結(jié)劑將小型鋸材膠合，制作空心膠合木柱應(yīng)用在實(shí)際工程中是可行的，滿(mǎn)足工程使用需求。

2）相比原木柱，同等截面積下，空心膠合木柱直徑增大37%，偏心受壓性能得到提高，穩(wěn)定性有所改善；空心膠合木柱與同截面積圓木柱比較，理論承載力提高了4.3%，試驗(yàn)得承載能力穩(wěn)定系數(shù)為0.9，材料缺陷對(duì)軸心承載力有影響。受壓過(guò)程中，縱向應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同，存在橫向受壓的情況。隨著變形的增加，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載80%左右時(shí)，承載能力快速下降，柱中側(cè)向變形增大并出現(xiàn)局部壓屈的現(xiàn)象，進(jìn)而木柱失去承載能力，破壞形式為整體壓屈破壞。側(cè)向位移存在幾個(gè)增長(zhǎng)臺(tái)階，存在破壞征兆。

圖8 空心膠合木柱應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Strain cloud picture of hollow glued wood column

3）通過(guò)建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果吻合度高，可用于預(yù)測(cè)空心膠合木柱的承載力、變形等。

4）膠合木柱的已有研究集中在矩形截面木柱軸心和偏心受壓性能，探討了長(zhǎng)細(xì)比變化對(duì)承載力的影響，其制作相對(duì)簡(jiǎn)便但截面形式限制了偏心承載方向，且構(gòu)件截面尺寸不大；本研究的木柱截面形式允許多方向偏心受壓，軸心受壓時(shí)穩(wěn)定性更好，利用小型鋸材制作構(gòu)件尺寸限制少。本研究局限性在于試件數(shù)目較少，不同長(zhǎng)細(xì)比對(duì)承載力的影響尚需進(jìn)一步研究。