邢 新 岑培山

（鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

目前，我國的建筑大多為鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼筋及混凝土均為高耗能材料，其對(duì)于環(huán)境存在著很大危害，而且建筑垃圾對(duì)大氣、水源、土壤等均存在較大的危害。2020年9月，我國明確提出了“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)，“綠色建筑”“綠色建材”的課題也得到更加廣泛的研究發(fā)展，一些環(huán)保節(jié)能的建筑材料被廣泛推廣，許多省份還出臺(tái)了一些裝配式結(jié)構(gòu)的相關(guān)推行政策。而鋁材可與木材組合作為一種節(jié)能、低碳、環(huán)保的新型結(jié)構(gòu)形式。

木材是一種天然可再生能源，而且木結(jié)構(gòu)建筑在施工過程可減少對(duì)環(huán)境的危害，是一種綠色環(huán)保且抗震能力良好的結(jié)構(gòu)形式。鋁合金具有高強(qiáng)、抗震能力好的優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于一般的鋼材，鋁合金具有較好的耐腐蝕性，自重輕，可塑性好，抗彎剛度更好。兩種材料組合可以取長補(bǔ)短，更好地發(fā)揮其作用，木材的側(cè)向支撐作用可以很好防止鋁板由于側(cè)向剛度不足而過早出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，鋁板可以彌補(bǔ)木材強(qiáng)度低、脆性破壞的缺點(diǎn)。

對(duì)于鋼-木組合梁，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的研究。Jasienko等[1]、李登輝[2]、錢哲等[3]、廖靜[4]和張也等[5]對(duì)鋼-木組合梁的抗彎性能及發(fā)展前景進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：鋼有效地提高了木梁承載能力，鋼-木組合梁的發(fā)展應(yīng)用前景良好。劉慧[6]、張聰[7]對(duì)鋁-OSB板組合梁抗彎性能進(jìn)行了研究，研究表明：用鋁-木組合梁替代鋼-木組合梁是可行的，鋁合金板和OSB板可以更好地發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，二者組合能夠很好地協(xié)同工作。

目前對(duì)鋼-木組合構(gòu)件的研究更多是以普通鋼材與木梁的組合構(gòu)件為對(duì)象，而對(duì)于鋁-木組合的研究則較為缺乏。本文以是否使用鋁合金板加固及鋁合金板加固位置為變量，對(duì)所制作的試件進(jìn)行加載試驗(yàn)和理論計(jì)算，分析其受力性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置了3個(gè)試件，其中試件L1為純木梁，試件L2為鋁合金板底部加固的組合梁，試件L3為鋁合金板側(cè)面加固的組合梁。鋁合金板與木梁之間的連接一般采用粘鋼結(jié)構(gòu)膠粘貼或者螺釘固定的方法[7]。本試驗(yàn)中組合梁試件采用粘鋼結(jié)構(gòu)膠粘貼的方法。試件尺寸設(shè)計(jì)詳見表1，試件橫截面尺寸見圖1。

表1 試件尺寸參數(shù)

圖1 試件截面構(gòu)造及尺寸

本次試驗(yàn)中鋁合金板與木梁的粘貼選用改性環(huán)氧樹脂粘鋼膠進(jìn)行粘貼。粘貼前將膠水A和膠水B按照3∶1的配合比倒入指定容器中并攪拌均勻，然后將拌制均勻的粘鋼膠涂刷在木梁表面，涂抹厚度一般在2mm左右。涂抹時(shí)要注意涂抹均勻，以免試驗(yàn)時(shí)因粘貼不牢固而開裂從而影響試驗(yàn)結(jié)果。粘貼后要及時(shí)對(duì)組合梁施加壓力，促使鋁合金板與木梁粘貼更加牢固，如圖2所示。涂膠粘貼時(shí)，應(yīng)在環(huán)境溫度為25℃左右時(shí)進(jìn)行，溫度較低時(shí)應(yīng)采取保溫措施[8]。

圖2 鋁-木組合梁施壓加固

1.2 材料性能

鋁合金板使用5083型鋁材，通過材性試驗(yàn)，測(cè)得彈性模量7.26×104MPa。木梁使用松木，木材材性由制作三個(gè)300mm×60mm×60mm的試件經(jīng)過測(cè)試獲得，彈性模量1.44×104MPa。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)選用分級(jí)加載的方法，每級(jí)加荷增量為1kN，采用三分點(diǎn)加載，待加載至最大撓度24mm（即跨度的五十分之一）時(shí)停止加載。支座距離試件邊緣均為100mm，兩支座之間的間距為1200mm。加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置

本試驗(yàn)所選用的應(yīng)變片尺寸為6mm×108mm。L1、L2梁的應(yīng)變片粘貼在木梁跨中兩側(cè)面且距離木梁邊緣3mm的位置處，L3梁的應(yīng)變片粘貼在用鋁合金板加固的一側(cè)的跨中距離木梁邊緣3mm處，每個(gè)側(cè)面粘貼兩個(gè)應(yīng)變片，同時(shí)在3個(gè)試件的上下兩面未加固鋁合金板一側(cè)的跨中位置均粘貼應(yīng)變片。同時(shí)將位移計(jì)布置在梁的跨中處，用以量測(cè)梁受荷后的撓度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為3個(gè)試件在相同條件下全過程加載的荷載-撓度曲線圖。通過分析圖4可知，相對(duì)于純木梁，鋁合金板加固的組合梁的承載力明顯優(yōu)于純木梁試件，組合梁的抗彎性能有著明顯的增強(qiáng)，其中試件L2的曲線斜率大于試件L3的曲線斜率，由此可見鋁合金板底部加固的效果優(yōu)于側(cè)面加固的效果。

圖4荷載-撓度曲線

當(dāng)撓度值相同時(shí)，由表2可知，3個(gè)試件的撓度均達(dá)到24mm時(shí)，純木梁試件L1承受的最大荷載值為8.99kN，使用鋁合金板底部加固的試件L2承受的荷載值為17.00kN，鋁合金板側(cè)面加固的試件L3承受的最大荷載值為10.98kN。試件L3較試件L1的承載能力提高了22.14%，試件L2較純木梁試件的承載能力提高了89.10%，試件L2較試件L3的承載能力提高了56.11%。

表2 試件撓度-荷載匯總表

文獻(xiàn)[10]與文獻(xiàn)[11]中規(guī)定梁的跨中撓度δ≤l/250，本試驗(yàn)中試件的跨度均為1200mm，故δ≤4.8mm。當(dāng)撓度值達(dá)到4.8mm，試件L1所承受的荷載為2.72kN，試件L2所承受的荷載為4.25kN，試件L3的承載力為3.06kN。試件L2較試件L1所承受的荷載值增高了56.25%，試件L3相對(duì)于試件L1承載力提高了12.5%，試件L2較試件L3承載力提高了38.89%。

3 理論計(jì)算

本文中鋁-木組合梁抗彎性能的計(jì)算參照鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，選用承載力疊加法進(jìn)行計(jì)算。

3.1 剛度計(jì)算

式中EI-鋁-木組合梁剛度；

ElIl-鋁合金板的剛度；

EmIm-木材的剛度。

鋁-木組合梁剛度按照上式計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算得到試件L2的剛度為6.46×1010N·mm2，試件L3的剛度為

4.92×1010N·mm2。

3.2 承載力計(jì)算

本文中撓度計(jì)算公式按照簡支梁跨中撓度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并引入βw（鋁-木組合梁變形協(xié)調(diào)系數(shù)），取βw=1.2[6]。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]與文獻(xiàn)[11]計(jì)算得試件跨中撓度容許值為4.8mm。通過上式計(jì)算容許撓度對(duì)應(yīng)的理論載荷值，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算值詳見表3。

表3荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比表

為了驗(yàn)證上述計(jì)算公式的可行性，引入文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)結(jié)果與依據(jù)上式所得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

從表3和表4可以看出，荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均不超過8%。由圖5可以更加直觀地看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值緊密的分布在y=x的兩側(cè)，充分表明了上述公式的可行性。

表4荷載試驗(yàn)值[6]與計(jì)算值對(duì)比表

圖5 荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值

4 結(jié)語

（1）使用鋁合金板加固木梁可以顯著增強(qiáng)木梁的抗彎性能，而且在木梁底部加固鋁合金板的效果比側(cè)面加固更好。

（2）本文引入鋁-木組合梁協(xié)調(diào)變形系數(shù)，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，理論計(jì)算公式具有一定的可行性，可以為相關(guān)研究提供參考。