張弦及加載方式對預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的影響1)

左宏亮 宋鑫 郭楠 王子元

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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張弦及加載方式對預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的影響1)

左宏亮 宋鑫 郭楠 王子元

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

采用一點張弦一點加載、一點張弦兩點加載、兩點張弦一點加載、兩點張弦兩點加載等4種不同的張弦加載方式，對4組12根預(yù)應(yīng)力膠合木梁進(jìn)行受彎試驗，分析4種不同張弦和加載方式對預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的影響。結(jié)果表明：在預(yù)加力數(shù)值一定的前提下，加載點相同時，改變張弦方式對膠合木梁的極限承載力影響不大；張弦點相同時，兩點加載比一點加載膠合木梁的極限承載力提高28.8%～38.9%；只有兩點張弦兩點加載時，梁頂受壓區(qū)出現(xiàn)褶皺、梁底發(fā)生延性受拉破壞，其余破壞形態(tài)均為梁底脆性受拉破壞；加載過程中，兩點加載較一點加載梁剛度略有提高、可使木材的抗壓強度發(fā)揮更為充分，提高木材與鋼絲的利用率。

張弦加載；膠合木梁；彎曲性能

Using one point jacking and one point loading, one point jacking and two points loading, two points jacking and one point loading, two points jacking and two points loading with four different jacking and loading methods in bend test of four groups twelve prestressed glue-lumber beams, we measured the effects of the four different jacking and loading methods on the bending performance of prestressed glue-lumber beams. In the same pre-energizer preconditions with the same loading point, changing the way of jacking has little effect on ultimate bearing capacity of glue-lumber beams. The same jacking point, two loading points than one loading point the glue-lumber beams ultimate bearing capacity increased by about 28.8%-38.9%. Only when two points jacking and two points loading the top of the beam compression zone wrinkles and beam bottom occurs ductility tensile failure, the remaining failure modes are brittle beam bottom tensile failure. In the loading process, the two points loading than one point loading beam stiffness increased slightly, it also can make the timber compressive strength play more fully and improve the utilization rate of wood and steel wire.

由于膠合木結(jié)構(gòu)能做到小材大用、劣材優(yōu)用，并較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更為綠色環(huán)保，適用于綠色建筑及綠色施工，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，所以在世界各地得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。普通的膠合木梁，存在抗壓強度無法得到充分發(fā)揮，膠合木梁在破壞時多發(fā)生脆性破壞且變形較大等缺點[4]。對普通的膠合木梁施加預(yù)應(yīng)力，可以減小膠合木梁的短期變形，并使膠合木梁由純彎狀態(tài)轉(zhuǎn)化為壓彎狀態(tài)，以達(dá)到充分利用木材抗壓強度的目的[5]。

目前，國內(nèi)外研究者以及本項目組前期的研究中，對膠合木梁的變形性能[6-8]、預(yù)應(yīng)力的施加方法[9-10]、預(yù)應(yīng)力木梁抗彎承載力的計算方法[11-12]，以及預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力鋼絲的數(shù)量對膠合木梁受彎性能的影響[13]等方面，已經(jīng)進(jìn)行了比較深入的研究；對膠合木的選材[14]、各種纖維材料增強膠合木梁受力性能[15-17]，也已進(jìn)行了較為深入的研究。這些研究為本文提供了豐富的理論依據(jù)和試驗參考。本文主要通過試驗研究不同張弦及加載方式下預(yù)應(yīng)力膠合木梁的受彎性能，旨在遴選張弦加載方式，進(jìn)而實現(xiàn)梁的最優(yōu)性能。

1 材料與方法

試驗?zāi)z合木選用SPF(云杉-松木-冷杉)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定的試驗方法，分別對12組膠合木試件進(jìn)行順紋抗拉和抗壓試驗，試驗均采用直徑為7mm的低松弛1570級預(yù)應(yīng)力鋼絲作為預(yù)應(yīng)力筋(見表1)。

表1 木材和鋼絲主要性能指標(biāo)

制作12根尺寸為3 150 mm×100 mm×100 mm的膠合木梁；層板厚度為20 mm，共5層膠合而成；跨距為3 000 mm，支座距梁端長度為75 mm。梁跨度沿著木材的順紋方向，并采用絲扣擰張橫向張拉裝置對其施加預(yù)應(yīng)力(見圖1)。在膠合木梁的端部放置尺寸為130 mm×100 mm×15 mm的錨墊板，使預(yù)應(yīng)力鋼絲與膠合木梁通過錨墊板和墩頭錨具結(jié)合在一起(見圖2)。

(a)預(yù)應(yīng)力膠合木梁示意 (b)1-1剖面

圖1 預(yù)應(yīng)力膠合木梁示意圖(數(shù)據(jù)單位為mm)

(a)端部錨固裝置示意 (b)1-1剖面 (c)2-2剖面

圖2 端部錨固裝置示意圖(數(shù)據(jù)單位為mm)

將12根膠合木梁分成4組，每組包括相同的梁3根(見表2)。將預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁編號為Lm-n(m為張弦點數(shù)量，n為加載數(shù)量)。

表2 試件分組

試驗共有兩種加載方式，一種是三分點對稱兩點加載方式，一種是跨中一點加載方式，均采用千斤頂進(jìn)行分級加載。彈性加載階段，以預(yù)估極限荷載的10%～20%循環(huán)加載5次；完成彈性加載后，以預(yù)估極限荷載的10%為梯度分級加載，加載至極限荷載的50%后，減小至極限荷載的5%為梯度分級加載，加載至梁失效[13]。每加載1次，持時3 min，觀察試驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。

在支座和跨中共放置3個位移計(見圖3)，應(yīng)變及位移值均由DH3816N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)讀取。

(a)兩點加載時加載裝置及測點布置;(b)一點加載時加載裝置及測點布置。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

采用4種不同的張弦和加載方式對預(yù)應(yīng)力膠合木梁進(jìn)行抗彎試驗，破壞形態(tài)總結(jié)為4種：

①脆性受拉破壞(見圖4)。加載過程中出現(xiàn)一聲大響，在梁底近跨中位置發(fā)生受拉破壞，破壞突然，破壞前無明顯征兆，梁頂受壓區(qū)無褶皺。

圖4 脆性受拉破壞

②劈裂破壞(見圖5)。加載初期，三分點木節(jié)處首先開裂，加載至極限荷載時，木梁在三分點處折斷，整個加載裝置傾斜，卸載過程中由于鋼絲的作用木梁變形逐漸恢復(fù)。

圖5 劈裂破壞

③水平通縫破壞(見圖6)。加載初期，梁底木節(jié)處首先發(fā)生開裂，由于木節(jié)開裂導(dǎo)致梁底層板間開裂，最終引起水平通縫破壞；破壞比較突然，屬于脆性受拉破壞。

圖6 水平通縫破壞

④延性受拉破壞(見圖7)。加載過程中，梁中木節(jié)出現(xiàn)輕微開裂聲，隨著荷載加大，梁頂木纖維出現(xiàn)褶皺，同時伴有持續(xù)不斷的內(nèi)部木纖維被拉斷的聲響，梁截面產(chǎn)生較大的塑性變形，最后在純彎段梁底受拉破壞；破壞前有明顯預(yù)兆，屬于延性受拉破壞。

圖7 延性受拉破壞

2.2 極限荷載與荷載-撓度曲線

由表3可見：加載點相同時，一點張弦與兩點張弦，梁極限承載力相近，這是由于張弦力較小且試驗存在誤差，其變化不明顯；張弦點相同時，兩點加載比一點加載梁極限承載力提高28.8%～38.9%。

由圖8可見：在彈性加載階段，4條曲線幾乎重合，說明改變張弦和加載方式對梁剛度影響不大。但隨著加載的進(jìn)行，4條曲線斜率發(fā)生變化，兩點加載較一點加載時梁剛度提高，這是因為一點加載時梁較早出現(xiàn)裂縫，使其剛度下降；由于張弦力較小，故改變張弦方式對其剛度影響不大。加載后期，L2-2出現(xiàn)剛度退化的現(xiàn)象，這是因為膠合木梁有塑性發(fā)展的趨勢，而L1-2、L2-1、L1-1無剛度退化，說明其無塑性發(fā)展，這與表3列出的梁的破壞形態(tài)相符。

表3 各試驗組梁極限荷載與破壞形態(tài)

注：L2-2(1)膠合木梁缺陷較大，極限荷載過低，故舍去。

圖8 荷載-撓度曲線

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

由圖9可見：在加載初期，各測點的應(yīng)變值隨荷載的增加基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢；加載后期，L2-2梁頂壓應(yīng)變隨荷載增長的速度變慢，這是因為梁頂受壓區(qū)產(chǎn)生褶皺，這與破壞形態(tài)也是相符的。其中：L2-2、L1-2有三層層板處于受壓狀態(tài)，L1-1、L2-1有兩層層板處于受壓狀態(tài)。雖然木梁均未達(dá)到全截面受壓狀態(tài)，但兩點加載時各層板的受力更為接近，即膠合木梁截面的受力更均勻，能夠較好地發(fā)揮出木材的抗壓性能，極大提高了木材的利用率。

由表4可見：4組梁最底層層板拉應(yīng)變基本相同。兩點加載比一點加載梁頂層層板壓應(yīng)變大、一點張弦比兩點張弦梁最頂層層板壓應(yīng)變略有提高，說明兩點加載較一點加載可使木材的抗壓強度利用更為充分，而兩點張弦與一點張弦則差別不大。4組梁破壞時，鋼絲均處于彈性階段，并且兩點加載比一點加載時鋼絲的利用率更高。

坐標(biāo)軸左側(cè)為受壓區(qū)，右側(cè)為受拉區(qū)；層板1為梁頂層板，層板5為梁底層板。

組別梁底拉應(yīng)變/10-3梁頂壓應(yīng)變/10-3鋼絲最大拉應(yīng)變/10-3鋼絲最大拉應(yīng)力/MPaL1-13.29-3.672.2453.2L1-23.26-3.972.6535.6L2-13.31-3.501.8370.8L2-23.32-3.932.5515.0

2.4 截面應(yīng)變曲線

取各級荷載穩(wěn)定后截面不同高度處的應(yīng)變數(shù)值，得到各級荷載作用下，梁中截面沿高度的應(yīng)變曲線(見圖10)。由圖10可見：兩點加載較一點加載中和軸位置下移，而一點張弦與兩點張弦中和軸位置基本相同，并且隨著荷載增加中和軸位置保持不變。說明兩點加載較一點加載可使梁受壓區(qū)面積增加，再一次證明了兩點加載可使木材的抗壓強度發(fā)揮更充分。

膠合木梁截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布，其中L2-2在梁頂位置應(yīng)變沿截面高度變化曲線斜率增大，這是因為木梁發(fā)生破壞時，梁頂應(yīng)變片產(chǎn)生褶皺，但不影響曲線整體的線性走勢，說明膠合木梁截面應(yīng)變分布符合平截面假定。

2.5 理論分析

預(yù)應(yīng)力鋼絲通過端部錨固裝置與膠合木梁結(jié)合在一起，形成一種鋼木組合構(gòu)件。在施加預(yù)應(yīng)力階段，張拉預(yù)應(yīng)力鋼絲保證預(yù)加力(Q)均為3.8 kN，通過螺桿對梁產(chǎn)生向上的反力(N)，在端部對梁產(chǎn)生壓力(P)，由于存在偏心距(e)，壓力(P)在端部對其產(chǎn)生彎矩M=Pe。假設(shè)一點張弦和兩點張弦后，鋼絲與膠合木之間的夾角分別為α和β，并忽略其自身重力，張弦后受力圖見圖11。由圖11可見，一點張弦時，N1=2Qsinα，P1=Qcosα，端部彎矩M1=P1e=Qecosα；兩點張弦時，N2=Qtanβ，P2=Q，端部彎矩M2=P2e=Qe。

忽略預(yù)應(yīng)力鋼絲在支座外側(cè)產(chǎn)生的彎矩，并將一點張弦和兩點張弦后的彎矩圖與一點加載和兩點加載后的彎矩圖分別進(jìn)行疊加，得到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2的彎矩圖(見圖12)。

由于張弦角度很小，可近似取α=β，cosα=cosβ=1。由圖12可見，4種張弦加載方式下的最大彎矩關(guān)系為M2-1>M1-1>M2-2>M1-2。由此可見，當(dāng)加載點相同時，一點張弦優(yōu)于兩點張弦，由于試驗中張弦力較小，表現(xiàn)不明顯；當(dāng)張弦點相同時，兩點加載優(yōu)于一點加載，表現(xiàn)較明顯。

圖12中彎矩最大位置與試驗中梁的破壞位置一致，其中一點張弦一點加載由于在跨中帖了鋼板，其破壞位置在近跨中處。

圖10 截面-應(yīng)變曲線

圖11 張弦后受力圖

圖12 疊加后彎矩圖

3 結(jié)論

主要的破壞形態(tài)有梁頂起褶梁底受拉破壞、水平通縫破壞、三分點劈裂破壞、梁底脆性受拉破壞。第一種為延性破壞，后三種均為脆性破壞。其中只有兩點張弦兩點加載時木梁發(fā)生延性破壞，其余均為脆性破壞。

加載點相同時，兩點張弦與一點張弦膠合木梁的極限承載力基本相同；張弦點相同時，兩點加載比一點加載膠合木梁的極限承載力提高了28.8%～38.9%。兩點加載優(yōu)于一點加載。

加載點相同時，一點張弦較兩點張弦時受壓區(qū)木材的壓應(yīng)力略有提高；張弦點相同時，兩點加載比一點加載時受壓區(qū)木材的壓應(yīng)力提高較明顯。

預(yù)應(yīng)力膠合木梁中沿梁高截面應(yīng)變隨截面高度呈線性變化，符合平截面假定。并且隨著荷載的增加，中和軸的位置保持不變。

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Zuo Hongliang, Song Xin, Guo Nan, Wang Ziyuan(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

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Jacking and loading; Glue-lumber beams; Bending performance

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

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。

2016年9月25日。

S781.29

責(zé)任編輯：張 玉。