植筋膠合木桿件拉壓性能試驗(yàn)1)

左宏亮　韓曉彬　　　　左煜　　　　郭楠

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)　　　　(哈爾濱工業(yè)大學(xué))　　　　(東北林業(yè)大學(xué))

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植筋膠合木桿件拉壓性能試驗(yàn)1)

左宏亮韓曉彬左煜郭楠

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)(哈爾濱工業(yè)大學(xué))(東北林業(yè)大學(xué))

摘要將鋼筋植入樟子松膠合木端部形成植筋膠合木桿件，研究不同鋼筋直徑、植入深度、膠層厚度等因素對植筋膠合木桿件拉壓性能的影響。采用自行設(shè)計(jì)的14組84個植筋膠合木桿件，通過傳統(tǒng)的兩端對拉試驗(yàn)及創(chuàng)新的鋼螺帽輔助受壓試驗(yàn)，分析其荷載-位移關(guān)系曲線、極限承載力、破壞形態(tài)與破壞機(jī)理。結(jié)果表明：隨鋼筋直徑增加，受拉試件極限承載力提高了4.1%～17.13%，受壓試件極限承載力提高了25.35%～39.10%，鋼筋直徑對受壓桿件極限承載力影響較大；隨植入深度增加，受拉試件極限承載力提高了35.69%～70.21%，受壓試件極限承載力提高了34.14%～41.12%，植入深度對桿件受拉及受壓極限承載力均產(chǎn)生顯著影響；膠層厚度對桿件受力性能影響較小，考慮經(jīng)濟(jì)性因素，同時方便試件加工制作，合理的膠層厚度選為2～4 mm。

關(guān)鍵詞樟子松；膠合木；植筋膠合木；拉壓性能

木結(jié)構(gòu)的形式已從傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)向現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，新型工程木材膠合木即是其一。如今，木結(jié)構(gòu)得以借鑒鋼結(jié)構(gòu)體系的技法，輔以不同材料與設(shè)施，實(shí)現(xiàn)大跨度、大空間上的突破。結(jié)合發(fā)展趨勢，本文提出一種新型的大跨空間木結(jié)構(gòu)桿件，將鋼筋植入膠合木端部，由端部鋼筋和膠合木構(gòu)成的桿件作為空間木結(jié)構(gòu)的基本單元；再通過金屬球鉸結(jié)點(diǎn)組成空間木結(jié)構(gòu)體系，以軸向受力最大限度地發(fā)揮木材的性能。為此，通過研究鋼筋和膠合木的連接性能，研發(fā)出合理可靠的受力桿件，是發(fā)展并推廣應(yīng)用此種空間木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[1-8]。

國內(nèi)外學(xué)者通常是基于花旗松和SPF(云杉-松木-冷杉)等國外膠合木品種進(jìn)行的試驗(yàn)研究[9-12]。針對我國木材種類的分布，并發(fā)揮地區(qū)的特色與優(yōu)勢，本文選用樟子松為原材料，對樟子松膠合木經(jīng)植筋形成的桿件的形狀進(jìn)行改進(jìn)，以便于通過球鉸結(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互連接；通過受拉、受壓試驗(yàn)，分析其破壞形式、破壞機(jī)理以及鋼筋直徑、植筋深度、膠層厚度對桿件受力性能的影響，旨在為樟子松植筋膠合木桿件應(yīng)用于實(shí)際工程提供參考。

1材料與方法

1.1材料性能

試驗(yàn)用樟子松膠合木層板厚度20 mm，共5層膠合而成。為避免不必要的誤差，本試驗(yàn)所有樟子松均為同一批次，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]及GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行木材順紋抗拉抗壓材性試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度78.32 MPa、抗壓強(qiáng)度33.47 MPa、彈性模量9 237.58 MPa。

選用HRB400級鋼筋進(jìn)行植筋連接，鋼筋直徑按每組試驗(yàn)要求分別為18、20、22、25 mm，鋼筋的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)見表1。

植筋膠主劑選用鳳凰牌E51雙酚A型環(huán)氧樹脂，主要質(zhì)量參數(shù)：環(huán)氧值0.51～0.53，水解氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.05%，黏度9.0～11.0 mPa·s，外觀為透明無機(jī)械雜質(zhì)的液體。同時，選用593#固化劑配合使用，固化劑與主劑質(zhì)量比為1∶4。

表1　鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

1.2試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作84個膠合木植筋桿件，受拉和受壓試件各7組，每組6個。考慮到該桿件作為桁架桿件與球鉸節(jié)點(diǎn)相連，本試驗(yàn)對試件形狀進(jìn)行改進(jìn)，用錐形試件代替以往的棱柱體試件。根據(jù)每組試件研究內(nèi)容的不同，按照相應(yīng)深度及直徑要求在試件端部進(jìn)行鉆孔，受拉試件兩端鉆孔，受壓試件在錐形截面端鉆孔，鉆孔直徑根據(jù)鋼筋直徑和膠層厚度而定。試件形式見圖1，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。為盡量減小錨固端對試驗(yàn)端的影響，在設(shè)計(jì)時保證試件錨固端植筋深度≥1.2倍的試驗(yàn)端植筋深度，為方便試件制作統(tǒng)一選取300 mm；受壓桿件試驗(yàn)端設(shè)計(jì)與受拉桿件試驗(yàn)端完全相同。

1.3試驗(yàn)方法

受拉試件由試驗(yàn)機(jī)拉伸區(qū)間上下兩個鉗口加持試件兩端植入的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。為了受壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行，將鋼筋一端打50 mm螺紋，鋼筋另一端作為植筋端植入受壓試件；同時制作邊長100 mm、厚度50 mm的正六邊形鋼螺帽，其螺紋與鋼筋的螺紋完全吻合，以此配合受壓試件進(jìn)行受壓試驗(yàn)；所有試件在加載過程中，均控制在300 s內(nèi)破壞[14]。

Dr為受拉試件錨固端打孔直徑；dh為試驗(yàn)端打孔直徑；數(shù)據(jù)單位為mm。

組別鋼筋直徑(ds)/mm植入深度(h)/mm膠層厚度(l)/mm鉆孔直徑(dh)/mmL1/Y118250222L2/Y220150224L3/Y320200224L4/Y420250224L5/Y522250226L6/Y620250428L7/Y720250632

注：L為受拉試件，Y為受壓試件，每組受拉、受壓試件均為6個；受拉試件錨固端打孔直徑32 mm、鋼筋直徑25 mm、植入深度300 mm、膠層厚度3.5 mm。

采用WAW-2000A萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件受拉與受壓試驗(yàn)(見圖2)。采集極限破壞荷載，以及試件整體受拉與受壓位移。

圖2　試驗(yàn)加載圖

2結(jié)果與分析

2.1試件破壞形態(tài)

2.1.1受拉試件

加載初期，位移增長緩慢，隨著荷載的上升，試件內(nèi)部發(fā)出細(xì)微的脆裂聲；當(dāng)荷載增加到極限荷載的10%左右時，桿件會發(fā)出鋼筋掙脫膠層包裹以及膠層碎裂的聲音；最后出現(xiàn)爆裂的巨響，同時絕大部分桿件木材發(fā)生劈裂。試件破壞形態(tài)大致可以分為以下幾種：

劈裂破壞(見圖3(a))。隨著荷載的增大，試件端部產(chǎn)生微小的裂縫，隨后裂縫不斷增大，在出現(xiàn)巨大響聲時木材明顯劈裂，荷載直線下降。此種破壞屬于脆性破壞，破壞發(fā)生較突然，產(chǎn)生劈裂破壞的原因主要有以下兩點(diǎn)：一是桿件植筋制作時，鋼筋垂直居中產(chǎn)生的誤差使試件兩端對拉時產(chǎn)生偏心受力；二是試驗(yàn)進(jìn)行過程中，由于鋼筋的肋對膠層及木材的擠壓、剪脹作用，當(dāng)作用力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力大于木材的橫紋抗拉強(qiáng)度時便會發(fā)生劈裂破壞。

拉出破壞(見圖3(b))。拉出破壞分為兩種：①膠層周圍木材發(fā)生剪切破壞。隨鋼筋和膠層一同拉出，試驗(yàn)中有少量試件呈現(xiàn)此種破壞模式。環(huán)繞膠層的部分木纖維隨著鋼筋和膠層一起被拔出一段距離，但是卸荷后恢復(fù)原狀。由文獻(xiàn)[15]可知，試件在受拉時，鋼筋周圍應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小，試件端部應(yīng)力較大，端部部分膠層與木材隨鋼筋變形伸長而被拉斷，并隨鋼筋伸長被拉出，卸荷后鋼筋恢復(fù)原狀態(tài)，被拉出的膠層和木纖維恢復(fù)到原位。此種破壞形式多見于植筋深度較小的試件中。②鋼筋與膠層脫開被拉出。鋼筋隨著荷載的增大向外伸展并滑移，卸荷后基本恢復(fù)到原來的位置。

組合型破壞(見圖3(c))。試件發(fā)生破壞為膠層與木材界面破壞和劈裂破壞的組合；或是鋼筋與膠層界面破壞和劈裂破壞的組合。試件破壞后，在端部能觀察到劈裂裂縫或者膠層周圍木材剪切破壞痕跡，以及在孔口處鋼筋與膠層脫開產(chǎn)生的裂縫。

(a)劈裂破壞(b)拉出破壞(c)組合破壞

圖3受拉試件破壞形態(tài)

2.1.2受壓試件

植筋試件在鋼筋端部擰上鋼螺帽后進(jìn)行受壓試驗(yàn)。前期荷載增長迅速，位移增長幅度較??；當(dāng)達(dá)到極限荷載的65%左右時，內(nèi)部開始有脆裂聲音出現(xiàn)；隨著爆裂的巨響聲的產(chǎn)生，試件端部發(fā)生劈裂破壞，荷載直線下降；繼續(xù)加載，試驗(yàn)荷載變化幅度較小，此時仍然有膠層與鋼筋脫開及其相互擠壓使得膠層破裂的聲音。試件的破壞形態(tài)主要有以下幾種：

鋼筋壓彎(見圖4(a))。出現(xiàn)此現(xiàn)象的大部分試件，是因?yàn)橹步钪谱鬟^程中鋼筋未能保證垂直居中，植筋后有較大的傾斜或者偏移都易產(chǎn)生壓彎現(xiàn)象；此外，在第1組試件中，壓彎現(xiàn)象較密集。除上述原因外，18 mm鋼筋剛度相對較小，長細(xì)比相對較大，也是出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象的重要因素。

鋼筋刺入(見圖4(b))。鋼筋隨著荷載的增大逐漸被壓進(jìn)試件內(nèi)部一小段距離，也有巨響聲與脆裂聲出現(xiàn)，但是試件外觀無明顯變化，孔口膠層與鋼筋界面產(chǎn)生裂縫。和受拉試件不同的是，卸荷后鋼筋不能完全恢復(fù)，仍保持一定的壓進(jìn)量。

鋼筋刺入，木材開裂(見圖4(c))。鋼筋受壓后向內(nèi)壓縮鋼筋底面范圍內(nèi)的木纖維，同時向四周擠壓膠層與木材，試件端部發(fā)生木材劈裂破壞，孔口膠層與鋼筋界面開裂。

(a)鋼筋壓彎(b)刺入破壞(c)刺入后劈裂破壞

圖4受壓試件破壞形態(tài)

2.2試件加載荷載-位移曲線

受拉試件，試件在加載初期，試驗(yàn)機(jī)夾具逐漸夾緊，在此過程內(nèi)試件荷載-位移曲線呈非線性走勢(見圖5(a))；隨著荷載的增加，夾具夾緊，荷載-位移曲線斜率有所增大，且曲線大致呈線性增長(見圖5(a))；當(dāng)荷載達(dá)到最大值時，試件發(fā)生破壞，此時荷載直線下降，繼續(xù)加載，荷載僅小幅度增長后繼續(xù)下降(見圖5(a))。植筋深度較小的試件承載力明顯較低(見圖5(a)中L2)；膠層厚度越大，試件整體位移及承載力明顯降低(見圖5(a)中L7)；鋼筋直徑的增大對承載力提高較明顯，同時整體位移略有下降(見圖5(a)中L5)。

由圖5(b)可以看出：受壓試件荷載-位移曲線較受拉試件不同，其斜率非常大，所有試件曲線趨勢很陡峭。在試驗(yàn)初期，曲線大致呈直線迅速上升，當(dāng)試件接近極限荷載時，曲線增長速度明顯下降，荷載甚至?xí)霈F(xiàn)小幅度下降，隨后荷載再次上升；當(dāng)其達(dá)到極限荷載時，試件破壞，曲線中出現(xiàn)直線下降段。膠層厚度的增大使得試件整體位移明顯增大，同時其承載力也有了較大提高(見圖5(b)中Y7)；植筋深度較小的試件，承載力明顯偏低(見圖5(b)中Y2)；鋼筋直徑變化導(dǎo)致承載力發(fā)生明顯提升，整體位移變化不大。

(a)受拉試件(b)受壓試件

圖5典型荷載-位移曲線

2.3影響承載力因素

通常木材的密度、含水率、木材紋理及鋼筋夾角、植筋邊距、鋼筋直徑、植筋深度、膠的種類及成分、膠層厚度等都會對桿件承載力產(chǎn)生影響，本試驗(yàn)僅選擇鋼筋直徑、植筋深度及膠層厚度作為主要研究對象。

2.3.1鋼筋直徑

試驗(yàn)選取3種鋼筋直徑，在相同植入深度、膠層厚度情況下進(jìn)行對比試驗(yàn)；表3給出了不同鋼筋直徑時桿件極限承載力的變化幅度。在受拉試件中，隨著鋼筋直徑的增加，極限承載力有所提高，但幅度并不很大；鋼筋與膠層界面的名義剪切強(qiáng)度范圍5.97～6.37 MPa，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍4.98～5.22 MPa，名義剪切強(qiáng)度變化很??；鋼筋直徑的增加使膠層與木材界面及膠層與鋼筋界面的粘結(jié)面積增大，能夠提供更多的嵌固咬合力，從而使極限承載力有所提高。對于受壓試件，極限承載力則產(chǎn)生了較大幅度的提高，鋼筋與膠層界面的名義剪切強(qiáng)度范圍7.16～9.54 MPa，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍5.86～8.00 MPa。與受拉試件相比，受壓時，由于端部木材對鋼筋的阻擋，木材充分發(fā)揮了其優(yōu)良的抗壓性能，試件極限承載力大幅度提高，受壓試件名義剪切應(yīng)力也相應(yīng)提高。

表3　不同鋼筋直徑時試件極限承載力的變化

注：植入深度250 mm、膠層厚度2 mm。

2.3.2植入深度

選取3種植入深度，在相同鋼筋直徑、膠層厚度情況下進(jìn)行對比試驗(yàn)；表4給出了極限承載力及變化幅度。在受拉試件中，極限抗拉承載力整體提高幅度較大；鋼筋與膠層界面的名義剪切強(qiáng)度范圍5.85～5.97 MPa，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍4.87～4.98 MPa，名義剪切強(qiáng)度變化不大，且穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。在受壓試件中，極限抗壓承載力增長有明顯放緩的趨勢；鋼筋與膠層界面的名義剪切強(qiáng)度范圍8.07～9.59 MPa，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍6.73～8.00 MPa；鋼筋受壓后，過大的變形對周圍膠層及木材的擠壓剪脹作用，導(dǎo)致試件端部木材發(fā)生劈裂破壞，對受壓試件，植筋深度達(dá)到一定程度后，深度繼續(xù)增加對試件抗壓極限承載力提高有限。

2.3.3膠層厚度

選取3種膠層厚度，在相同鋼筋直徑、植入深度情況下進(jìn)行對比試驗(yàn)；表5給出了不同膠層厚度時的極限承載力及變化幅度。受拉試件中，增加膠層厚度，極限承載力增加后趨于平緩，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍3.45～4.98 MPa。受壓試件中，極限承載力反而會出現(xiàn)下降的趨勢，膠層與木材界面的名義剪切強(qiáng)度范圍5.61～6.73 MPa。理論上，膠層厚度的增大會發(fā)揮膠層自身彈性，使桿件內(nèi)部應(yīng)力分布更加均勻，從而極限承載力增大。而在實(shí)際試驗(yàn)中，抗拉與抗壓極限承載力均變化不大，主要原因：膠層厚度增加，減小了植筋桿件端部木材的截面尺寸，試件極限承載力未能達(dá)到理論值，木材過早發(fā)生劈裂，膠層未能充分發(fā)揮其特性，導(dǎo)致試件極限承載力變化不大。

表4　不同鋼筋植入深度時試件極限承載力的變化

注：鋼筋直徑20 mm、膠層厚度2 mm。

表5　不同膠層厚度時試件極限承載力的變化

注：鋼筋直徑20 mm、植入深度250 mm。

3結(jié)論

受拉試件破壞形態(tài)，主要有劈裂破壞、拉出破壞、組合破壞等形式；受壓試件破壞形態(tài)，主要有鋼筋壓彎、鋼筋刺入、鋼筋刺入后木材劈裂等形式。

隨著鋼筋直徑的增大，試件抗拉和抗壓極限承載力均有所提高，試件抗壓極限承載力的提高更為顯著；隨著鋼筋植入深度的增加，試件抗拉、抗壓極限承載力均有大幅度提高。

與鋼筋直徑和植入深度相比，膠層厚度的變化對桿件受力性能影響不大。隨著膠層厚度的增大，注膠量會顯著增加，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，建議膠層厚度選取2～4 mm。

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Tension and Compression Behavior of Rebar-planting Glulam Member

Zuo Hongliang, Han Xiaobin

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Zuo Yu(Harbin Institute of Technology); Guo Nan(Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(6)：63-67.

In order to obtain a new type of space timber structure member, we planted the rebar into the end of the Mongolian Scotch Pine glulam to constitute the member as previously mentioned, and we studied the influence on the property in tension and compression with different rebar diameter, anchorage depth and glue thickness. Based on the traditional two terminal tension experiment and the unique steel nut assisted compression experiment with 14 groups rebar-planting glulam members, a total of 84, we studied the load-deflection curves, the ultimate bearing capacity, the failure mode and failure mechanism. With the increase of rebar diameter, the ultimate bearing capacity of tension specimen was increased by 4.1%-17.13%, while the compression specimen was increased by 25.35%-39.10%，rebar diameter had a greater influence on the ultimate bearing capacity of compression specimen. With the increase of anchorage depth, the ultimate bearing capacity of tension and compression were increased by 35.69%-70.21% and 34.14%-41.12%, respectively. The anchorage depth of rebar had a significant influence on both tension and compression ultimate bearing capacity, and glue thickness had little affection on the mechanical behavior of the member. Considering the economic factors and convenience of specimen production, the reasonable glue thickness should be selected in 2-4 mm.

KeywordsMongolian Scotch Pine; Glulam; Rebar-planting; Tension and compression behavior

第一作者簡介：左宏亮，男，1964年3月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，教授。E-mail：zhl9163@163.com。

收稿日期：2015年11月23日。

分類號S781.23；TU366.3

1)國家林業(yè)局林業(yè)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2014-04)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201402)。

責(zé)任編輯：張玉。