鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗(yàn)

何佳偉，李玉順，李冉，呂博

(寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211)

鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗(yàn)

何佳偉，李玉順*，李冉，呂博

(寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211)

以兩根對(duì)立放置的冷彎薄壁U型鋼作為箱形骨架，骨架外表面通過結(jié)構(gòu)膠黏劑黏結(jié)4塊竹膠板，制成鋼-竹組合箱形梁。試驗(yàn)以箱形組合梁翼緣、腹板竹膠板厚度、冷彎薄壁U型鋼翼緣寬度和組合梁剪跨比為控制參數(shù)，對(duì)6根鋼-竹組合箱形梁進(jìn)行抗剪性能試驗(yàn)，測(cè)量各級(jí)荷載作用下組合梁應(yīng)變和撓度的發(fā)展，分析組合梁的受剪破壞過程和破壞機(jī)制，探討了組合梁的抗剪性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應(yīng)明顯，組合梁翼緣、腹板竹膠板厚度的增加，可以提高其極限抗剪承載力，與此同時(shí)，組合梁剪跨比的減小也能使其抗剪能力有較大提高。研究表明，組合梁破壞經(jīng)歷兩個(gè)階段，即彈性階段和彈塑性階段，具有良好的延性和安全儲(chǔ)備，能夠作為受力構(gòu)件用于建筑工程。

組合梁；冷彎薄壁型鋼；竹膠板；剪跨比；抗剪性能

0 引言

竹子的生長(zhǎng)速度很快，一般只需3～5a便可成材利用，是一種短周期的可再生資源[1]。竹材具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度約為木材的2倍，抗壓強(qiáng)度約為木材的1.5倍[2]。中國(guó)擁有世界上最豐富的竹資源，在全國(guó)各地共分布著40多屬、約500種竹子，合理利用竹資源對(duì)生態(tài)平衡和環(huán)境保護(hù)有著重大而深遠(yuǎn)的意義。對(duì)原竹進(jìn)行改性加工，可以獲得形式規(guī)整、力學(xué)性能良好的竹材人造板，目前竹簾膠合板是我國(guó)竹材人造板中發(fā)展最快、規(guī)模最大的一個(gè)品種，其具有強(qiáng)度高、韌性好、各向異性小等特點(diǎn)[3-4]。

冷彎薄壁型鋼是在冷狀態(tài)下彎曲鋼板形成的各種截面形式的輕型薄壁鋼材，其質(zhì)輕且截面慣性矩較大，具有較高的強(qiáng)度重量比，進(jìn)而擁有較好的經(jīng)濟(jì)性[5]。

為了充分利用我國(guó)豐富的竹資源、竹材人造板優(yōu)良的力學(xué)性能和冷彎薄壁型鋼的靈活截面特性，科研人員提出了鋼-竹組合結(jié)構(gòu)這種新型的結(jié)構(gòu)形式。鋼-竹組合結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)膠黏劑將竹材人造板與冷彎薄壁型鋼黏結(jié)組合在一起形成各種截面形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，能較好地發(fā)揮竹材人造板和冷彎薄壁型鋼各自的強(qiáng)度，使兩者共同受力，并且能有效解決薄壁型鋼易過早發(fā)生屈曲的問題[6]。研究表明，鋼-竹組合結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)性能和組合效應(yīng)，并且延性好，耗能能力強(qiáng)，便于工業(yè)化生產(chǎn)，能滿足一般建筑物對(duì)承載力和抗震性能的要求，工程應(yīng)用前景良好[7]。

本文作者所在課題組長(zhǎng)期致力于鋼-竹組合結(jié)構(gòu)的研究[8-16]，在梁構(gòu)件部分，目前已經(jīng)對(duì)鋼-竹組合工字形梁的力學(xué)性能和鋼-竹組合箱形梁的抗彎性能進(jìn)行了探究[17-18]。本文作者共設(shè)計(jì)制作6根鋼-竹組合箱形梁進(jìn)行受剪性能試驗(yàn)，觀察記錄組合梁的受剪破壞過程、破壞形態(tài)、變形特征和抗剪承載力，并對(duì)組合梁抗剪性能的影響因素進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

鋼-竹組合箱形梁試件主要控制參數(shù)為梁翼緣和腹板的竹膠板厚度、冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度和組合梁剪跨比。其中，組合梁翼緣和腹板的竹膠板厚度分別取20 mm和28 mm，U型鋼厚度均為1.75 mm，U型鋼截面尺寸(翼緣寬×腹板高)分別為42 mm×175 mm、52 mm×175 mm，組合梁剪跨比λ分別為1和0.75。試件編號(hào)為L(zhǎng)-1～L-6，其長(zhǎng)度均為1.22 m，計(jì)算跨度為1.0 m，組合梁具體參數(shù)詳見表1。

表1中，竹膠板厚tf/tw，tf為組合梁翼緣處竹膠板厚度，上下翼緣竹膠板厚度相同；tw為組合梁腹板處竹膠板厚度。剪跨比λ=a/h，a為集中力作用點(diǎn)至近端支座距離，h為組合梁梁高。如圖1所示，鋼-竹組合箱形梁由兩根冷彎薄壁U型鋼和4塊竹簾膠合板通過結(jié)構(gòu)膠黏劑黏結(jié)而成，制作試件時(shí)，首先用電動(dòng)打磨機(jī)除去冷彎薄壁U型鋼粘貼面鍍鋅層，直至金屬紋道均勻布滿整個(gè)粘貼面，用脫脂棉沾無(wú)水乙醇清潔鋼板粘貼面，以防粉塵浮于表面而影響貼面材料的充分接觸；與此同時(shí)用電動(dòng)打磨機(jī)除去竹膠板外表面釉質(zhì)層，并同樣將竹膠板粘貼面用沾有無(wú)水乙醇的脫脂棉清潔干凈。除塵完畢后進(jìn)行粘膠，將預(yù)拌完畢的結(jié)構(gòu)膠黏劑均勻施涂于薄壁型鋼粘貼面，與竹膠板黏結(jié)后用夾具固定，并用重物進(jìn)行施壓固化，施壓2～3d，待膠層固化后養(yǎng)護(hù)7d。制作完成的試件如圖2所示。

表1 組合梁參數(shù)表

1.竹簾膠合板 2.冷彎薄壁U型鋼 3.結(jié)構(gòu)膠黏劑膠黏4.夾具固定，養(yǎng)護(hù)成型圖1 鋼-竹組合箱形梁截面形式Fig.1 Section form of bamboo-steel box-section beam

圖2 鋼-竹組合箱形梁試件Fig.2 Specimens of bamboo-steel box-section beams

1.2 加載裝置及測(cè)試

加載試驗(yàn)在寧波大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，裝置如圖3所示。試驗(yàn)采用單調(diào)靜力分級(jí)加載方法，試件L-1由于截面較小，每級(jí)荷載為5 kN，其他試件每級(jí)荷載為10 kN。荷載通過與千斤頂相連的壓力傳感器測(cè)量。每級(jí)荷載加載完后持荷5 min，待試件應(yīng)變和豎向撓度穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級(jí)加載。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test set-up

為測(cè)得集中荷載作用下組合梁跨中截面應(yīng)變變化，在梁腹板跨中橫截面處鋼板內(nèi)表面等距黏貼5枚應(yīng)變片，在上、下翼緣內(nèi)外表面中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)黏貼1枚應(yīng)變片。在集中力作用點(diǎn)偏支座處的純剪力區(qū)腹板鋼板內(nèi)表面黏貼3枚應(yīng)變花，以測(cè)得試件受剪時(shí)的剪切應(yīng)變。在每個(gè)試件的跨中、支座、集中力作用點(diǎn)各布置1個(gè)位移計(jì)以測(cè)定組合梁在荷載作用下的豎向撓度，所有應(yīng)變片及位移計(jì)數(shù)據(jù)均采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集。圖4為組合梁受剪試驗(yàn)加載示意圖。

圖4 加載裝置示意圖Fig.4 Scheme of loading apparatus

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件加載及破壞特征

試件L-1～L-6在荷載作用下產(chǎn)生豎向變形，從加載開始到荷載值接近約1/2極限荷載值時(shí)(即加載初期)，撓度隨荷載增加呈線性增大，試件加載過程中無(wú)明顯破壞現(xiàn)象和異常聲響；隨著荷載的逐級(jí)增加，撓度的增長(zhǎng)速率開始加快，加載過程中出現(xiàn)竹膠板擠壓和張拉的“啪啪”聲；接近完全破壞時(shí)，試件出現(xiàn)竹膠板撕裂、掀起和鋼板屈曲變形及鋼板與竹膠板脫膠的現(xiàn)象。

L-1試件翼緣及腹板的竹膠板厚度均為20 mm，在所有試件中最小，從加載開始至荷載為45 kN時(shí)，每加5 kN荷載試件跨中撓度增長(zhǎng)約0.26 mm，隨著荷載一級(jí)級(jí)增加，試件撓度呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)荷載達(dá)到50 kN左右時(shí)，試件跨中撓度為2.84 mm，試件出現(xiàn)了輕微的“咯咯”聲，經(jīng)分析應(yīng)為竹膠板擠壓和張拉發(fā)出的聲音，在這個(gè)加載階段，隨著荷載的逐級(jí)增加，試件撓度的增長(zhǎng)速率開始加快；荷載值接近75 kN時(shí)，試件發(fā)出“啪”的一聲聲響，經(jīng)分析為竹膠板和冷彎薄壁型鋼之間的膠結(jié)面局部脫膠造成的。當(dāng)荷載達(dá)到100 kN時(shí)，試件發(fā)出“啪啪”的響聲，荷載值不再上升，試件宣告破壞，破壞時(shí)，竹膠板存在局部擠壓變形(圖5(a))。L-2試件上下翼緣竹膠板厚度由L-1試件的20 mm變?yōu)?8 mm，腹板竹膠板厚度仍為20 mm，當(dāng)荷載達(dá)到120 kN左右時(shí)，試件L-2開始出現(xiàn)輕微的竹膠板擠壓和張拉聲；荷載接近130 kN時(shí)，試件發(fā)出“啪”的一聲聲響，經(jīng)分析同試件L-1一樣為竹膠板和冷彎薄壁型鋼之間的膠結(jié)面局部脫膠造成的；荷載接近150 kN時(shí)，靠近支座處上翼緣竹膠板出現(xiàn)橫向裂紋，并且隨著荷載的加大發(fā)展和延伸；荷載接近180 kN時(shí)，試件另一邊靠近支座的腹板處冷彎薄壁型鋼開始發(fā)生屈曲變形；荷載達(dá)到200 kN時(shí)，無(wú)法繼續(xù)加大荷載，認(rèn)為試件已經(jīng)破壞(圖5(b))。L-3試件前后腹板竹膠板厚度由L-1試件的20 mm變?yōu)?8 mm，翼緣竹膠板厚度仍為20 mm，當(dāng)荷載達(dá)到60 kN左右時(shí)，試件L-3開始出現(xiàn)竹膠板的擠壓和張拉聲，跨中撓度為3.45 mm；荷載接近80 kN時(shí)，竹膠板的擠壓和張拉聲及膠結(jié)面局部范圍脫膠聲持續(xù)出現(xiàn)；荷載接近90 kN時(shí)靠近支座的下翼緣竹膠板出現(xiàn)裂紋，鋼板出現(xiàn)屈曲變形，裂紋隨著荷載增大發(fā)展延伸，鋼板的變形也逐步加大，與竹膠板之間的膠層明顯破壞，試件加載完畢極限荷載值達(dá)到130 kN(圖5(c))。L-4試件為組合截面尺寸最大的試件，極限荷載值達(dá)到260 kN，破壞時(shí)試件靠近支座的下翼緣竹膠板存在裂紋，鋼板屈曲變形，上翼緣鋼板和竹膠板脫膠分離，竹膠板翹起(圖5(d))。L-5試件與L-1試件相比，減小了冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度，竹膠板厚度未作變化，破壞時(shí)其下翼緣竹膠板存在斜向裂紋，鋼板屈曲變形，拱起與竹膠板脫膠分離(圖5(e))。L-6試件竹膠板厚度和截面尺寸均與L-5試件相同，組合梁剪跨比λ調(diào)整為0.75，其破壞時(shí)靠近支座處上翼緣竹膠板與鋼板間膠層破壞(圖5(f))，L-6試件極限荷載值為260 kN，較L-5試件有較大提升。

圖5 試件破壞現(xiàn)象Fig.5 Failure modes of specimens

試驗(yàn)結(jié)果表明在較大剪力和彎矩共同作用下，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應(yīng)明顯，竹膠板較好的變形能力有助于提高組合截面的穩(wěn)定性，使兩種材料的強(qiáng)度得到充分利用。

2.2 抗剪性能試驗(yàn)值

鋼-竹組合箱形梁受剪試驗(yàn)主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.3 荷載-跨中撓度曲線

圖6為試件L-1～L-6荷載-跨中撓度關(guān)系曲線。通過對(duì)6根受剪試件的加載和破壞過程的觀察記錄以及對(duì)荷載-跨中撓度曲線的分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：鋼-竹組合箱形梁的破壞過程可分為兩個(gè)階段：從加載開始到荷載值接近約1/2極限荷載值時(shí)，撓度隨荷載增加呈線性增大，試件加載過程中無(wú)明顯破壞現(xiàn)象，此階段為彈性階段；當(dāng)荷載值達(dá)到約1/2極限荷載值并繼續(xù)增加時(shí)，撓度的增長(zhǎng)速率開始加快，加載過程中出現(xiàn)竹膠板擠壓和張拉以及膠結(jié)面局部范圍脫膠的“啪啪”聲，直至試件破壞，此階段為彈塑性階段。在組合梁臨近破壞時(shí)，其荷載-跨中撓度關(guān)系曲線并無(wú)明顯下降段，試件發(fā)生破壞后其荷載值仍保持在極限荷載值附近，可見組合梁試件延性良好。

圖6 荷載-跨中撓度關(guān)系曲線Fig.6 Load vs.mid-span deflection curves

通過比較試件L-2、L-3、L-4與試件L-1的加載及破壞過程可以得出以下結(jié)論：腹板和翼緣竹膠板厚度的增加可以有效地提高組合梁抗剪承載力。分別比較試件L-2和L-1，L-3和L-1，可見和腹板竹膠板厚度相比，組合梁翼緣竹膠板厚度的增加對(duì)提高其抗剪承載力的作用更加明顯。

L-5試件與L-1試件相比，減小了冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度，竹膠板厚度未作變化，其極限荷載值比試件L-1大，為200 kN，可見冷彎薄壁U型鋼翼緣寬度的適當(dāng)減小同樣可以使組合梁的抗剪承載力有較大提高。L-6試件竹膠板厚度和截面尺寸均與L-5試件相同，組合梁剪跨比由1調(diào)整為0.75，極限承載力值由L-5的200 kN增加到260 kN，說明和鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類似，減小剪跨比可以使鋼-竹組合箱形梁的抗剪承載力顯著提高。不同于鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁的是：鋼-竹組合箱形梁通過結(jié)構(gòu)膠黏劑將竹材人造板與冷彎薄壁型鋼黏結(jié)組合在一起，因此在集中力作用點(diǎn)處(如支座附近)均出現(xiàn)了局部脫膠現(xiàn)象，這是由于結(jié)構(gòu)膠層無(wú)法承受較大的剪應(yīng)力，導(dǎo)致界面粘結(jié)力下降，進(jìn)而影響了組合梁抗剪承載力，可見鋼-竹界面承載力對(duì)組合梁的抗剪性能同樣至關(guān)重要。

3 結(jié)論

(1)在較大剪力和彎矩共同作用下，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好、截面剛度大，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應(yīng)明顯。

(2)組合梁試件破壞時(shí)，其下翼緣靠近支座處由于冷彎薄壁型鋼的屈曲和竹膠板的擠壓變形，此處的結(jié)構(gòu)膠層常常因無(wú)法承受較大的剪應(yīng)力和掀起力而發(fā)生脫膠。因此，可在此處打入自攻螺釘，形成結(jié)構(gòu)膠與自攻螺釘共同作用的復(fù)合膠結(jié)型界面，以提高鋼-竹界面承載力，進(jìn)而提高組合梁抗剪性能。

(3)組合梁腹板和翼緣竹膠板厚度的增加可以有效地提高其抗剪承載力，與腹板厚度相比，組合梁翼緣竹膠板厚度的增加對(duì)其抗剪承載力的影響更為明顯，適當(dāng)減小冷彎薄壁型鋼翼緣寬度以及減小組合梁的剪跨比同樣可以提高組合梁的抗剪承載力。

(4)組合梁破壞過程可分為彈性階段和彈塑性階段，彈性階段末荷載值約為極限荷載值的1/2，具有良好的安全儲(chǔ)備，組合梁試件的破壞具有顯著的延性特征。

[1]單煒，李玉順.竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景分析[J].森林工程，2008，24(2)：62-65.

[2]趙仁杰，喻云水.竹材人造板工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2002.

[3]徐斌，任海清，江澤慧，等.竹類資源標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建[J].竹子研究匯刊，2010，29(2)：6-10.

[4]呂清芳，魏洋，張齊生，等.新型抗震竹質(zhì)工程材料安居示范房及關(guān)鍵技術(shù)[J].特種結(jié)構(gòu)，2008，25(4)：6-10.

[5]胥彥斌.冷彎薄壁C型鋼桁架螺栓連接節(jié)點(diǎn)剛度研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

[6]蔣天元.鋼-竹組合梁柱邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2012.

[7]沈煌瑩，李玉順，張王麗，等.冷彎薄壁型鋼-竹膠板組合梁受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(S2)：171-175.

[8]Li Y，Shan W，Shen H，et al.Bending Resistance of I-section Bamboo-steel Composite Beams Utilizing Adhesive Bonding[J].Thin-Walled Structures，2015，89：17-24.

[9]Shan W，Li Y，Shen H，et al.Tests and Analysis on Flexural Strength of Lightweight Bamboo-steel Composite Floor Slab[C].International Conference on Electric Technology and Civil Engineering.New York:IEEE，2011：812-815.

[10]Tang J，Guo J，Hu G F，et al.Study Status of Steel-Bam-boo Composite Slabs[J].Applied Mechanics & Materials，2014，501-504：727-730.

[11]Wen Y，Xu K K，Tang J，et al.Research Status and Development Trend of Steel-Bamboo Composite Structure[J].Advanced Materials Research，2014，893：716-719.

[12]Yan Z M，Du Y F，Huang J G，et al.Approach to Steel-Bamboo Composite Structure System[J].Applied Mechanics& Materials，2013，300-301：1263-1266.

[13]Li Y，Shen H，Shan W，et al.Flexural Behavior of Lightweight Bamboo-steel Composite Slabs[J].Thin-Walled Structures，2012，53(2)：83-90.

[14]Zhang W,Li Y,Shan H，et al.Experimental and Theoretical Study on Seismic Behavior of Profiled Steel Sheet-Bam-boo Plywood Composite Walls[J].Advanced Materials Research，2010，113-116：2246-2250.

[15]翟佳磊，李玉順，黃帥，等.鋼-竹組合框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36(S1)：60-66.

[16]李玉順，蔣天元，單煒，等.鋼-竹組合梁柱邊節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2013，30(4)：241-248.

[17]李玉順，沈煌瑩，單煒，等.鋼-竹組合工字梁受剪性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(7)：80-86.

[18]張家亮，徐建軍，呂博，等.鋼竹組合箱形梁抗彎性能試驗(yàn)[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016，38(5)：40-44.

Experimental Investigation on Shearing Behavior of BoxSection Bamboo-steel Composite Beams

He Jiawei，Li Yushun*，Li Ran，Lv Bo

(College of Architectural，Civil Engineering and Environment，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211)

The box section bamboo-steel composite beams were formed by steel skeleton which consisted of two pieces of cold-formed thin-walled U section steel and four pieces of bamboo plywood which were glued on the surface of the skeleton.Six specimens were tested to evaluate effects of bamboo plywood thicknesses of the flange and web of composite beams，width of steel flange and shear span ratio of composite beams.In order to explore the shearing behavior，strains and deflections of beams under different loads were tested and failure process and mechanism were analyzed.The results showed that overall performances of composite beams were excellent and the composite effect between steel and bamboo plywood was reliable.Increasing bamboo plywood thickness of the flange and web of composite beams could improve its ultimate shear capacity.Meanwhile，decreasing the shear span ratio of composite beams had the same effect.The research pointed out that the failure of composite beams had went through two stages，including the elastic stage and the elastic-plastic stage.This new ductile composite beam which had favorable security reserves could serve as bearing components in architectural engineering.

Composite beam；cold-formed thin-walled steel；bamboo plywood；shear span ratio；shearing behavior

2017-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378265、51678310)

何佳偉，碩士研究生。研究方向：組合結(jié)構(gòu)

*通信作者：李玉順，工學(xué)博士，教授。研究方向：組合結(jié)構(gòu)。E-mail：lys0451@163.com

何佳偉，李玉順.鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗(yàn)[J].森林工程，2017，33(4)：98-102.

TU 366.1；TU 398

A

1001-005X(2017)04-0098-05