左宏亮 劉翰然 魯建鑫

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

木材作為一種可再生、低能耗、無污染的天然材料，其節(jié)能效果和環(huán)保性遠優(yōu)于混凝土、鋼筋等建筑材料[1-3]?，F(xiàn)代木結構是目前非常適應綠色建筑的結構之一，該結構的整體性能優(yōu)于原有的木結構體系[4-5]。膠合木是一種現(xiàn)代木結構建筑中常用的工程木產品，通過膠合層疊的方法提高了木材的利用率，并且能夠制作出有較強抗變形能力的膠合木構件[6]。膠合木梁抗彎性能，極易受其底層板的缺陷影響[7-8]。普通膠合木梁的破壞為脆性破壞，在破壞時往往是梁底的木節(jié)、指接等缺陷部位首先發(fā)生破壞，破壞后產生的裂縫會在梁側面、梁底沿梁的縱向迅速地開展，破壞的過程非常突然，通常還伴隨有較大的木材劈裂，存在一定的危險性。本文針對上述問題，采用對膠合木梁梁底旋入新型自攻螺釘這一新型加固方法，對膠合木梁進行受彎性能試驗，分析新型自攻螺釘不同的錨入深度、旋入角度和螺釘間距對膠合木梁受彎性能的影響，旨在為加固膠合木梁提供參考。

1 材料與方法

按照課題組前期試驗的試件制作經驗[9]和GB/T 50329—2012《木結構試驗方法標準》[10]中的相關規(guī)定，以云杉-松木-冷杉膠合木板材(SPF板材)為原材料，制作了24根膠合木梁，每根試驗梁的層板數(shù)均為6層，每層板的厚度均為25 mm；規(guī)定木材的順紋方向為試驗梁的長度方向(見圖1)。

為了研究新型自攻螺釘?shù)腻^入深度(d)、螺釘間距(l)和旋入角度(θ)對加固后的膠合木梁受彎性能的影響，在試驗前需要使用扭矩足夠的電鉆將新型自攻螺釘從梁底旋入試驗梁(見圖2)。

試驗選用的新型自攻螺釘均為TCC半螺紋雙沉頭滾花木螺釘(見圖3(a))，新型自攻螺釘以45°從梁底旋入試驗梁(見圖3(b))，試驗分組編號見表1。

以和試驗用材同批次的SPF板材為原材料，參考文獻[9]制作了15個棱柱體抗壓試塊和18個抗拉試件，用于試驗。測得本次試驗材料的順紋抗壓強度為50.099 MPa、順紋抗壓彈性模量10 722.13 MPa、順紋抗拉強度74.61 MPa、順紋抗拉彈性模量9 912.00 MPa。膠合木梁受彎性能試驗的加載設備和測點布置見圖4。

表1 試件分組

注：試件規(guī)格為2 850 mm×50 mm×150 mm；新型自攻螺釘直徑8 mm；每個試驗梁均為3個試件，3次重復試驗；h為膠合木梁梁高(單位為mm)。

2 結果與分析

2.1 普通膠合木梁

普通膠合木梁在破壞時，往往是梁底木節(jié)產生斷裂，之后裂縫在梁側面、梁底沿梁的縱向迅速開展，在一聲巨響后整個試驗梁破壞。其破壞非常突然，沒有明顯的破壞預兆，是由于梁底木節(jié)受拉破壞造成的一種脆性破壞；同時，普通膠合木梁在破壞時，往往還伴隨有梁底木材的劈裂、劈斷等現(xiàn)象(見圖5)。存在著一定的危險。普通膠合木梁產生這種破壞形態(tài)，主要是由于普通膠合木梁沒有加固措施的約束，導致梁底木節(jié)等薄弱位置在受拉后非常容易發(fā)生破壞，破壞后產生的裂縫會沿木材紋理方向迅速發(fā)展，進而造成了試驗梁底部木材出現(xiàn)劈裂、劈斷的現(xiàn)象。為了減緩和抑制膠合木梁的脆性破壞，采取有效加固措施非常必要。

2.2 加固膠合木梁的破壞形態(tài)

2.2.1 梁底木材受拉破壞

梁底木材受拉破壞，這種破壞形態(tài)只發(fā)生在加固的膠合木梁中。該種破壞形態(tài)，梁隨著受力的增大，試驗梁底部會由開始出現(xiàn)輕微響動發(fā)展到后期梁底出現(xiàn)連續(xù)持續(xù)的“噼”、“啪”響動。破壞后的膠合木梁從外觀看，除了斷裂木材及其周圍梁側面、梁底出現(xiàn)一段縱向裂縫外，試驗梁其余部位表面仍然平整，并未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象(見圖6)。產生這種破壞形態(tài)，主要是由于新型自攻螺釘與木材之間的相互作用，抑制了膠合木梁內部的木質纖維在受力之后在試驗梁高度方向分離的趨勢，從而導致梁側面縱向裂縫的寬度特別窄小。

2.2.2 梁底木節(jié)受拉破壞

加固的膠合木梁，同樣存在梁底木節(jié)的受拉破壞(見圖7)。隨著加載的進行，同樣是梁底薄弱木節(jié)處首先出現(xiàn)裂縫，之后裂縫在梁側面沿試驗梁縱向繼續(xù)發(fā)展。不同于普通膠合木梁的裂縫，在梁側面產生后直接發(fā)展為劈裂木材；加固梁的木節(jié)裂縫出現(xiàn)后，會隨著每級加載的進行在梁側面沿縱向不斷地發(fā)展，在發(fā)展的過程中，連接梁側面多處木節(jié)缺陷，直至試驗梁發(fā)生破壞，破壞形態(tài)為梁底木節(jié)受拉破壞。

加固梁破壞時，梁側面的縱向裂縫，在長度及寬度上都遠小于普通膠合木梁。這主要是由于新型自攻螺釘?shù)腻^固作用，抑制住了縱向裂縫寬度上的發(fā)展；同時，由于旋入了新型自攻螺釘，改變了梁底的最薄弱位置，使得破壞起始的木節(jié)，甚至不在跨中純彎段；而且通過新型自攻螺釘?shù)腻^固作用，使得縱向裂縫發(fā)展時，不會直接劈裂木材，反而會不斷連接梁側面各薄弱木節(jié)，直到試驗梁最后發(fā)生破壞。

2.2.3 梁頂木材受壓破壞

加固后的膠合木梁，出現(xiàn)了梁頂木節(jié)受壓破壞形態(tài)(見圖8)。在該種破壞形態(tài)梁受壓過程中，試驗梁仍是梁底木材、木節(jié)首先受拉產生斷裂，但斷裂后的試驗梁仍然可以繼續(xù)承重；隨著加載到最后，膠合木梁上部木節(jié)無法承受受彎過程產生的梁頂壓力后發(fā)生破壞，破壞形態(tài)為梁頂木節(jié)受壓破壞。

當梁底木材出現(xiàn)斷裂后，試驗梁彎曲產生的梁底拉應力，由梁底木材承受逐步轉變?yōu)樾滦妥怨ヂ葆敵惺?，這是梁底裂縫出現(xiàn)至最后破壞時該裂縫長度和寬度都未有進一步發(fā)展的原因；上部的木材由于沒有任何加固措施，所以木材最后無法承受彎曲產生的梁頂壓力，產生受壓破壞。

2.3 加固膠合木梁的受彎性能

2.3.1 極限荷載

由表2可見：試驗梁的極限荷載與錨入深度呈正相關，當錨入深度達到100 mm后，極限荷載的增幅有所降低。原因是由于隨著錨入深度的增加，新型自攻螺釘可拉緊更多沿梁高方向的木材，使得試驗梁梁底木材可更好地拉結在一起承受梁底彎曲拉力；螺釘間距對極限荷載的影響不大。原因是由于在拉緊相同深度的木材時，螺釘間距為2.0h時，錨入的自攻螺釘足夠承受試驗梁彎曲時產生的梁底拉力，所以導致試驗梁的極限承載能力沒有較大變化；45°旋釘加固梁的極限荷載，均大于相同螺釘數(shù)量和位置的垂直旋釘加固梁。原因是與垂直旋釘加固相比，45°旋入的自攻螺釘更接近垂直于簡支梁彎曲時的主拉應力跡線，從而可更好地發(fā)揮自攻螺釘?shù)膹较蝈^固能力，達到更好的加固效果。

表2 各組試驗梁極限荷載對比

注：試件規(guī)格為2 850 mm×50 mm×150 mm；新型自攻螺釘直徑8 mm；每個試驗梁均為3個試件，3次重復試驗；h為膠合木梁梁高(單位為mm)。

2.3.2 荷載-跨中撓度曲線

由圖9可見：幾乎所有加固梁的剛度均優(yōu)于普通膠合木梁；與普通梁相比，所有加固梁均為發(fā)生初始剛度衰減情況，并且在加載過程中，曲線近乎一條直線，離散性較小。說明通過新型自攻螺釘與膠合木梁之間的相互作用，可實現(xiàn)減緩和抑制膠合木梁脆性破壞，增加膠合木梁的剛度，提高其極限承載能力。

由圖9(a)可見：隨著錨入深度的增加，試驗梁的剛度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中以錨入深度100 mm的試驗梁剛度最優(yōu)。由圖9(b)可見：螺釘間距為1.0h時的試驗梁剛度最優(yōu)，并遠優(yōu)于其他螺釘間距試驗梁及普通梁。由圖9(c)、圖9(d)可見：45°旋釘加固梁的剛度及加載過程中的曲線，離散變化均優(yōu)于相同螺釘間距時的垂直旋釘加固梁和普通梁。

圖9試驗梁荷載-跨中撓度曲線

3 結論

本文提出了一種針對膠合木梁的新型加固方式，即旋入新型自攻螺釘加固膠合木梁。該方法有綠色環(huán)保、操作便捷、性能優(yōu)異和加固效果明顯等優(yōu)點。

與普通膠合木梁相比，新型自攻螺釘加固梁的極限承載能力可提高11.40%～71.40%；同時，在剛度方面，自攻螺釘加固梁的剛度均優(yōu)于普通梁；在加載過程中，加固梁的彎曲撓度變化，均小于相同荷載時的普通梁。通過新型自攻螺釘加固，達到了減緩或抑制膠合木梁脆性破壞的目的。

自攻螺釘?shù)腻^入深度與試驗梁的極限承載能力呈正相關，垂直錨入深度為2/3倍的梁高時，試驗梁的剛度最好；螺釘間距對試驗梁極限承載能力的影響不大，但對試驗梁的剛度存在較大影響，因此建議自攻螺釘?shù)穆葆旈g距不宜大于1倍梁高；45°旋釘加固的試驗梁，在極限承載能力和剛度上，均優(yōu)于垂直旋釘加固梁。

結合經濟性、操作性和提高效果等多方面因素考慮，推薦加固方式為：螺釘垂直錨入深度為2/3倍的梁高、螺釘間距為1倍的梁高、螺釘旋入角度為45°的加固方法。