新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳冬劍，周正偉，潘利群

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

在當(dāng)前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，綠色、生態(tài)、環(huán)保、低碳的新型建筑結(jié)構(gòu)材料是土木工程科技發(fā)展的必然方向。竹材最大的優(yōu)勢(shì)是綠色環(huán)保和原材料可再生，竹材的成材期一般為2～4a(木材要20a)，強(qiáng)重比遠(yuǎn)勝于混凝土等材料，較好的彈性與韌性保證了其具有良好的變形能力。此外，利用竹質(zhì)工程材料建造的竹結(jié)構(gòu)建筑［1～2］、橋梁體系也已經(jīng)得到了實(shí)踐應(yīng)用。但是，作為竹結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，無論是采用竹簾膠合板、竹材層積材，還是竹材重組材加工制作，其在應(yīng)用中存在以下問題［3～4］:

(1)竹材的彈性模量低，竹材受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)都為截面的剛度控制。

(2)竹梁截面下部受拉區(qū)的缺陷對(duì)強(qiáng)度降低的影響較大，力學(xué)性能較為離散。

(3)脆性的破壞模式與結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)延性的需求不相符。

針對(duì)傳統(tǒng)竹結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不足，本文提出一種增強(qiáng)竹梁，在不改變竹材重組竹加工工藝的情況下，利用嵌入式［5］加固技術(shù)將鋼筋復(fù)合于竹梁的受拉區(qū)，通過試驗(yàn)初步驗(yàn)證其增強(qiáng)效果。

1 竹梁制作工藝及試驗(yàn)概況

1.1 嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁制作工藝

增強(qiáng)竹梁與對(duì)比竹梁均采用現(xiàn)代竹材重組工藝加工制作，其竹材原料應(yīng)采用竹身彎曲程度較小，竹齡在3a以上的毛竹，竹材剖篾后，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，篾片的含水率應(yīng)控制在10%～14%以保證其產(chǎn)品質(zhì)量。本試驗(yàn)所用重組竹材由生產(chǎn)廠商直接提供，鋼筋選用直徑12mm和16mm的Ⅱ級(jí)螺紋鋼筋，嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁其關(guān)鍵工藝為:重組竹構(gòu)件成型－開槽－嵌入鋼筋－浸膠－竹條封面(如圖1所示)。

在構(gòu)件制作過程中需注意如下幾點(diǎn):

(1)開槽方向沿構(gòu)件軸線方向，槽寬和槽深需大于鋼筋的直徑。

(2)鋼筋布置于開槽內(nèi)且為粘結(jié)填充材料 (結(jié)構(gòu)膠、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂中的一種)所包裹。

(3)封面竹條通過粘結(jié)填充材料與竹材相粘結(jié)覆于槽口處，其寬度與開槽的槽口寬度相同且外表面與開槽外口齊平。

1.2 試驗(yàn)概況

參考GB/T 50329－2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本試驗(yàn)所采用試件尺寸為1870mm×160mm×106mm，鋼筋距離底面20mm，構(gòu)件截面形式分三種即不開槽的對(duì)比梁、開一條槽的配筋竹梁和開兩條槽的配筋竹梁，構(gòu)件詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖1 增強(qiáng)竹梁工藝Fig.1 Technology of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

表1 試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

加載試驗(yàn)為靜載試驗(yàn)，采用兩點(diǎn)勻速加載，具體加載情況和試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)梁全長(zhǎng)在1 870mm左右，凈跨距1 710mm，梁居中放置，集中荷載作用點(diǎn)間距570mm。試驗(yàn)初期加載速度為2mm/min，在接近理論最大荷載時(shí)速度變?yōu)?.5mm/min，以便觀察試件的具體破壞過程。

圖2 跨中截面測(cè)點(diǎn)布置及加載情況Fig.2 Measuring points arrangement of the mid-span section and loading

為了記錄梁試件側(cè)面和上下底面的應(yīng)變，在三個(gè)面上分布了9個(gè)電阻應(yīng)變片1#～9#，具體的分布位置如圖2所示。應(yīng)變片都布置于梁跨中L/2的位置，這個(gè)位置應(yīng)變相對(duì)較大，也是最容易破壞的位置。在上頂面和下底面縱向中軸線兩邊各15mm處布置應(yīng)變片，用來測(cè)量上頂面和下底面的應(yīng)變情況;在正側(cè)面縱向中軸線和距離中軸線25mm，55mm的上下側(cè)共五處布置應(yīng)變片。荷載大小由頂端傳感器測(cè)出，對(duì)于試件位移采用位移計(jì)來量測(cè)，在梁L/4，L/2，3L/4的位置下部架設(shè)位移計(jì)百分表，在梁頂面支座處布置兩個(gè)位移計(jì)百分表 (如圖2所示)，在試驗(yàn)過程中同時(shí)觀察記錄竹梁破壞形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件荷載－跨中位移關(guān)系曲線

作為四根對(duì)比梁的代表，由對(duì)比梁試件B1(B1與四根對(duì)比梁的試驗(yàn)平均值相近)的荷載－跨中位移曲線 (如圖3所示)可見隨著荷載的增加，初期跨中位移呈線性增加，當(dāng)加載到一定程度后，曲線呈現(xiàn)非線性變化，說明試件進(jìn)入塑性階段，當(dāng)加載接近極限荷載時(shí)，曲線逐漸平緩，荷載上升很慢;試件在達(dá)到極限荷載后，承載力迅速下降。根據(jù)我國(guó)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］規(guī)定，作為結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件，梁和格柵的撓度限值為L(zhǎng)/250，而試件B1與四根增強(qiáng)梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2、B－S16－2對(duì)應(yīng)極限荷載時(shí)的撓度分別為跨度 L(取凈跨1710mm)的1/40、1/44、1/36、1/38和1/43，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的L/250的限值，由此可見鋼筋增強(qiáng)竹梁的設(shè)計(jì)荷載仍然是由其截面剛度控制。

圖3 荷載－跨中位移對(duì)比關(guān)系曲線Fig.3 Contrast relation on load and mid-span deflection

2.2 破壞形態(tài)分析

通過對(duì)四根對(duì)比竹梁的試驗(yàn)研究，無配筋竹梁呈現(xiàn)出兩種破壞形態(tài) (如圖4所示)，一種是竹梁底部跨中附近竹材纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變發(fā)生斷裂(如試件B1、B2和B3)，裂口將由底面向上發(fā)展約10～20mm，而后沿試件軸線方向形成水平裂縫向左右開展，整個(gè)過程發(fā)生時(shí)間較短，一旦開裂，荷載即達(dá)到峰值，而后迅速下降;另一種破壞形態(tài)(如試件B4)為竹梁試件截面中部突然發(fā)生沿試件縱向的剪切破壞，該破壞形態(tài)一旦發(fā)生伴隨轟然巨響，于截面中部形成一條水平裂縫貫穿至竹梁的兩端。回顧四根對(duì)比梁的試驗(yàn)過程，在破壞時(shí)四根對(duì)比梁都呈現(xiàn)出顯著的撓曲變形。

圖4 對(duì)比梁試件典型破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of bamboo beams without steel bars strengthening

圖5 增強(qiáng)竹梁破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of bamboo beams reinforced with near surface mounted steel bars

四根增強(qiáng)竹梁的竹材在破壞形態(tài)上與圖4所示對(duì)比梁的破壞形態(tài)1相似，但受竹梁底部開槽影響，裂口在底面的開展并不延續(xù) (如圖5(a)所示);鋼筋的嵌入在一定程度上提高了竹梁的剛度，增強(qiáng)竹梁沿水平方向分層逐漸拉斷 (如圖5(b)所示);破壞后的增強(qiáng)竹梁鋼筋并未發(fā)生縱向滑移，但由于跨中封面竹條開裂以及位移的增大，鋼筋隨著竹梁發(fā)生彎曲變形，在卸載后，竹梁自身能夠回復(fù)大部分的位移，鋼筋的變形不能回復(fù)，因而鋼筋與竹梁底面在豎向存在殘余位移偏差 (如圖5(c)所示)。總的來說，增強(qiáng)竹梁破壞前具有一定的征兆，且隨著鋼筋屈服和竹材纖維的拉斷，鋼筋屈服后依舊提供一定的彎曲承載力，試件臨近破壞時(shí)有明顯的撓曲變形。

2.3 截面剛度及應(yīng)變分析

表2給出了各試件的試驗(yàn)結(jié)果及剛度分析，四根增強(qiáng)竹梁B－S12－1、B－S16－1、B－S12－2和B－S16－2的極限荷載分別為 171.65kN、184.70kN、171.89kN、173.14kN，相比于四根對(duì)比梁的平均值提高17% ～26%，強(qiáng)度得到很好的提高，但通過改變鋼筋數(shù)量極限荷載并未出現(xiàn)顯著提高，分析原因可能是受拉區(qū)竹材纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變開裂破壞控制極限狀態(tài)。各增強(qiáng)竹梁對(duì)應(yīng)規(guī)范撓度限值L/250時(shí)的荷載PL/250分別為35.57kN、34.09kN、31.67kN、34.28kN，相比于對(duì)比梁的平均值27.76kN提高了14%～28%，這說明鋼筋較高的彈性模量對(duì)增強(qiáng)竹梁的剛度改善起到了良好的作用效果。

表2 各試件試驗(yàn)結(jié)果及截面剛度分析Tab.2 Experimental results of specimens and analysis of section stiffness

圖6給出了部分試件跨中截面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載的變化，正值表示拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變，在整個(gè)加載過程中，各測(cè)點(diǎn)處竹材應(yīng)變與荷載關(guān)系近似為線性變化，應(yīng)變于后期發(fā)展較快;以圖6所列三根試件 (B1、B－S12－1、B－S16－1)為例，在80kN時(shí)，三根試件的最大拉應(yīng)變依次為3849με、3282με、2960με，最大壓應(yīng)變依次為 －4202με、 －3845με、 －3200με，在 100kN 時(shí)，三根試件的最大拉應(yīng)變依次為 5110με、4144με、3903με，最大壓應(yīng)變依次為 －5536με、 －4957με、－4107με，就拉應(yīng)變而言，B－S12－1試件減小約17%，B－S16－1試件減小約24%，這說明鋼筋的嵌入分擔(dān)了受拉區(qū)竹材的拉應(yīng)力，其分擔(dān)效果受配筋參數(shù)的影響。

圖6 部分試件荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between load and strain of part specimens

3 結(jié)論與展望

本文提出一種新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁，利用嵌入式技術(shù)將鋼筋嵌入竹梁的受拉區(qū)進(jìn)行竹梁增強(qiáng)，并進(jìn)行了四根對(duì)比竹梁試件與四根嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁試件的靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明:

(1)對(duì)比竹梁呈現(xiàn)出兩種破壞形態(tài)，第一種為竹梁底部竹纖維脆性拉斷 (如試件 B1、B2、B3)，斷口向上開展并形成水平向裂縫，另一種(如試件B4)為竹梁截面中部突然發(fā)生沿縱向的剪切破壞形成貫穿至竹梁一端的水平裂縫;嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁破壞形態(tài)類似于對(duì)比竹梁的第一破壞形態(tài)。

(2)相比于四根對(duì)比梁的平均試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在L/250的同級(jí)跨中位移下，增強(qiáng)試件的承載力提高了14%～28%，這表明了構(gòu)件增強(qiáng)后剛度得到了顯著的提高，但是各試件對(duì)應(yīng)極限荷載時(shí)的實(shí)際撓度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我國(guó)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的L/250，嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁仍然是截面剛度控制設(shè)計(jì)。

(3)通過對(duì)試驗(yàn)后期各試件加載時(shí)的拉應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋼筋的嵌入分擔(dān)了受拉區(qū)竹材的拉應(yīng)力，其分擔(dān)效果受配筋參數(shù)的影響。

目前，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)多為磚混結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，然而磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在自重大、抗裂性能差等缺陷，且其材料能耗高、污染大，與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求不符。竹結(jié)構(gòu)具有類似木結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能，而本文提出了一種嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁，可重點(diǎn)解決竹結(jié)構(gòu)剛度低、力學(xué)性能離散、破壞模式脆性等應(yīng)用缺陷。

此外，新型嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁通過嵌入技術(shù)將鋼筋嵌入到竹梁內(nèi)部，不易發(fā)生截面筋材位置的偏移，定位準(zhǔn)確，質(zhì)量可靠，嵌入工藝不改變竹梁原有的外形美觀性，在某些建筑結(jié)構(gòu)中嵌入式鋼筋增強(qiáng)竹梁能夠成為鋼筋混凝土良好的替代品，從而發(fā)揮其更大的實(shí)用價(jià)值。

致謝:本文研究得到了南京林業(yè)大學(xué)魏洋副教授、李國(guó)芬教授的指導(dǎo)和支持，在此表示深深地感謝!

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