冷彎薄壁型鋼梁—OSB板組合樓蓋的抗彎剛度研究

石宇+周緒紅+宋凱+劉劍

摘要：通過對2塊足尺冷彎薄壁型鋼梁-定向刨花板（OSB板）組合樓蓋的受彎承載力進行單調(diào)靜載試驗，分析了連接OSB板與冷彎薄壁型鋼梁之間的螺釘間距對組合樓蓋抗彎剛度的影響。采用擬正交異性板法計算了組合樓蓋的抗彎剛度，在此基礎上分析OSB板厚度、樓蓋梁間距和截面尺寸等因素對組合樓蓋抗彎剛度的影響，提出了常用冷彎薄壁型鋼梁-OSB板組合樓蓋的等效抗彎剛度計算方法。結(jié)果表明：試件的破壞模式主要表現(xiàn)為樓蓋梁發(fā)生彎扭屈曲的同時，受壓區(qū)翼緣、卷邊及腹板出現(xiàn)相關屈曲破壞，屈曲波長為相鄰螺釘間距；OSB板沒有明顯破壞；螺釘間距對組合樓蓋的彈性抗彎剛度影響微??；在彈塑性階段，隨著螺釘間距的增大，組合樓蓋的剛度退化明顯增大。

關鍵詞：冷彎薄壁型鋼梁；定向刨花板；組合樓蓋；抗彎剛度；破壞模式

中圖分類號：TU398.9 文獻標志碼：A

0 引 言

冷彎薄壁型鋼梁-定向刨花板（OSB板）組合樓蓋由間距400～600 mm的C形樓蓋梁和套在其端部的U形邊梁以及OSB板組成[1-3]。在樓面板與冷彎薄壁型鋼樓蓋梁之間通過螺釘可靠連接后，樓面板為樓蓋梁提供了有效的側(cè)向支撐，使冷彎薄壁型鋼組合樓蓋的剛度和穩(wěn)定承載能力得到了明顯提高[4-7]。

加拿大木結(jié)構委員會[8]提出了木結(jié)構樓蓋有效抗彎剛度的計算公式；美國應用技術委員會[9]提出了冷彎薄壁型鋼組合樓蓋有效抗彎剛度的計算公式。中國對冷彎薄壁型鋼組合樓蓋的研究剛起步，滕學鋒等[10-11]采用足尺模型對冷彎薄壁型鋼組合樓蓋的受彎性能進行了研究，周緒紅等[12-14]采用試驗對冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓蓋以及冷彎薄壁型鋼-OSB板組合樓蓋的抗彎承載力進行了研究，而中國對冷彎薄壁型鋼組合樓蓋的剛度研究尚不夠深入，亦無系統(tǒng)的計算方法。

為了研究冷彎薄壁型鋼梁-OSB板組合樓蓋的抗彎剛度，本文對文獻[14]中的2塊足尺冷彎薄壁型鋼梁-OSB板組合樓蓋試件的變形和破壞特征進行分析，研究OSB板與冷彎薄壁型鋼梁之間的螺釘間距對組合樓蓋抗彎剛度的影響。采用擬正交異性板法計算組合樓蓋的抗彎剛度，在此基礎上分析樓面板厚度、樓蓋梁截面尺寸等因素對組合樓蓋抗彎剛度的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計與鋼材材性

2塊足尺冷彎薄壁型鋼梁-OSB板組合樓蓋試件的編號及構造設置見表1。試件FL-1的構造見圖1，其中Y1～Y7為位移計，試件FL-2與FL-1除了OSB板與冷彎薄壁型鋼梁連接的螺釘間距不同外，其他構造完全相同。支座加勁件的截面規(guī)格同樓蓋梁，其長度為樓蓋梁腹板高度減去50 mm，18 mm厚OSB板的縱向垂直于樓蓋梁布置。所有鋼材之間的連接采用4816型盤頭自攻自鉆螺釘，OSB板與鋼材之間的連接采用4838型沉頭自攻自鉆螺釘，螺釘中心至構件邊緣的距離為20 mm。

鋼材材性試驗根據(jù)《金屬材料拉伸試驗——第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）[15]的規(guī)定，從冷彎薄壁型鋼樓蓋梁中切取3個板狀試件進行拉伸試驗并取平均值，試驗結(jié)果見表2。

1.2 加載裝置

試驗加載裝置見圖2，采用八分點加載模擬均布荷載。剛性鋼框架臺座的柱腳與地面導槽固定，鋼框架H形截面鋼梁翼緣上焊接長3 m的L50×5角鋼作為試件的鉸支座。試驗時將組合樓蓋沿邊梁方向的2個端部分別擱置在鋼框架臺座角鋼鉸支座上，以進行定位、調(diào)整。

1.3 撓度測點布置

試件撓度測點布置見圖1。將組合樓蓋的中心

設為坐標原點，樓蓋梁跨度方向為x軸，垂直跨度方向為y軸。考慮組合樓蓋的對稱性，試驗中用位移計Y1～Y4來測量樓蓋半個跨度范圍內(nèi)的撓度（其中Y1位于支座處，Y2，Y3位于加載分配梁的正下方，Y4位于組合樓蓋的跨中），位移計Y5～Y7用來測量C形樓蓋梁跨中的最大撓度，以觀測垂直樓蓋梁方向的撓度變化。

1.4 試驗現(xiàn)象

圖3為組合樓蓋破壞模式。對于試件FL-1，當荷載較小時，各級荷載下的撓度平穩(wěn)增加；當荷載增加至140 kN左右時，樓蓋梁發(fā)生輕微扭轉(zhuǎn)，除邊部樓蓋梁外，中間樓蓋梁連接螺釘間的受壓翼緣和卷邊均出現(xiàn)畸變屈曲變形，腹板以連接300 mm的螺釘間距為半波長出現(xiàn)局部屈曲變形[圖3（a）]。隨著荷載的增加，靠近跨中彎矩最大區(qū)域及加載點附近的翼緣與腹板屈曲波幅增加較快，腹板面外支撐剛度迅速減小，出現(xiàn)局部側(cè)向失穩(wěn)變形；當荷載達到198 kN時，樓蓋梁跨中發(fā)生折曲破壞。隨著撓度的增加，組合樓蓋的承載力下降，OSB板無明顯破壞特征[圖3（b）]。

對于試件FL-2，當荷載增加到120 kN時，在樓蓋梁受壓翼緣連接螺釘間形成一個畸變屈曲全波，波長為連接螺釘間距600 mm，同時腹板出現(xiàn)局部屈曲；當荷載達到170.16 kN時，樓蓋梁折曲破壞，組合樓蓋承載力下降，OSB面板未發(fā)生破壞。試驗結(jié)束后，將2個試件OSB板拆除，破壞后的樓蓋骨架見圖3（c），試件FL-2的變形比試件FL-1的要大。

1.5 試驗結(jié)果及分析

試件的荷載-撓度曲線見圖4，其中撓度值取位移計Y4去除支座沉降后的撓度值。

從圖4可以看出：加載初期，由于各試件之間存在空隙，沒能有效共同工作，試件的剛度較小；當荷載增加至20 kN時，組合樓蓋工作性能很好，荷載-撓度曲線呈線性增長；在彈性階段，2個試件荷載-撓度曲線的直線段重合，表明螺釘間距對組合樓蓋的承載力及剛度幾乎沒有影響；當荷載達到105 kN時，試件FL-2的樓蓋梁屈曲，試件FL-1與FL-2的荷載-撓度曲線開始分叉，螺釘間距對組合樓蓋承載力及剛度的影響作用開始顯現(xiàn)，螺釘間距越大，屈曲后剛度退化越快。螺釘間距由150 mm（300 mm）調(diào)整到300 mm（600 mm），組合樓蓋的極限承載力降低了14.32%。