底層板指接增強(qiáng)措施對膠合木梁受彎性能的影響1)

左宏亮 魯建鑫 許相宜 程堃

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (上海美固澄梵緊固件有限公司)

Spruce was used as the raw material for the experiment, and ten glulam beams of 2 850 mm×50 mm×150 mm were made. Beams were divided into five groups (CT, UF, RF1, RF2, RF3) and two in each group. Make CT and UF groups as reference groups, which represents the bottom plate of the specimen with or without the finger joint. The finger joint of specimens in the RF1/RF2/RF3 groups were reinforced by affixing carbon fiber sheets (RF1), screwing self-tapping screws with vertical beam bottom (RF2) and screwing self-tapping screws at 45°angle with beam bottom (RF3). According to the designed scheme, ten specimens of glulam beams were subjected to flexural loading tests. The influence of the bottom plate with or without the finger joint on the flexural properties of the glulam beams and the improvement of the flexural properties of the glulam beams were studied by different finger joint strengthening measures. The test results show that the flexural behavior of glulam beams are affected by the existence of finger joints, and the ultimate bearing capacity and stiffness of glulam beams with finger joints on the floor are obviously lower than those of non-finger jointed beams by 25.4% and 22.95%, respectively. The three strengthening measures enhancing finger joint adopted (affixing carbon fiber sheets, screwing self-tapping screws with vertical beam bottom, screwing self-tapping screws at 45°angle with beam bottom) can improve the flexural behavior of glulam beams. The bending limit bearing capacity of the tapered glulam beams is increased by 28.2%, 17.4% and 10.1%, respectively, and the stiffness of these glulam beams is increased to the same level as that of the non-finger bonded wood beams.

木材是一種可再生的天然資源，作為建筑材料，具有美觀舒適、性能優(yōu)良以及“負(fù)碳”性等諸多優(yōu)點(diǎn)，與綠色建筑理念高度吻合[1]。木結(jié)構(gòu)是以木材或木制品為主要構(gòu)件，以榫卯或金屬連接件連接，能承受荷載的空間或平面結(jié)構(gòu)[2]。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)具有節(jié)能保溫、綠色環(huán)保、美觀舒適、良好的抗震及耐久性能等特點(diǎn)[3-5]；而且可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，裝配式施工，尺寸能滿足較高的精度，提高生產(chǎn)效率，減少現(xiàn)場工作量，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，在全世界范圍內(nèi)已得到了普遍認(rèn)可和大力推廣[6-7]。層板膠合木，是目前最主要的工程材料產(chǎn)品之一，已被廣泛應(yīng)用于各類木結(jié)構(gòu)工程。對于膠合木梁，其抗彎強(qiáng)度易受底層板缺陷部位影響，指接作為膠合木梁縱向接長部位，屬于受力薄弱部位，膠合木梁常在此發(fā)生破壞[8-9]。為此，本文針對膠合木底層板的指接部位，并在局部采取不同的增強(qiáng)措施，對膠合木梁進(jìn)行受彎性能的試驗(yàn)研究，旨在為提高膠合木梁受彎性能提供參考。

1 材料與方法

選用云杉為試驗(yàn)原材料，制作10根2 850 mm×50 mm×150 mm的膠合木梁。將試驗(yàn)梁分為5組(CT、UF、RF1、RF2、RF3)，每組2根，其中：CT組為底層層板全長無指接的試件、UF組為底層層板跨中有指接的試件，2組為參照組；RF1、RF2、RF3組為增強(qiáng)指接試件，分別為粘貼碳纖維布試件(RF1)、垂直梁底旋入新型木結(jié)構(gòu)用自攻螺釘試件(RF2)、以45°角旋入新型木結(jié)構(gòu)用自攻螺釘試件(RF3)。

指接形式為垂直型指接，在木材的寬面為指接形狀可見面，該種形式為生產(chǎn)結(jié)構(gòu)梁所使用的主要形式；RF1組為梁底粘貼兩層高強(qiáng)度Ⅱ級碳纖維布，U形箍為一層碳纖維布，其粘貼長度的確定參考文獻(xiàn)[10]，計(jì)算后取粘貼長度為800 mm；RF2組與RF3組使用新型木結(jié)構(gòu)自攻螺釘，長度分別為100、140 mm，此兩試驗(yàn)組自攻螺釘?shù)男胛恢?、螺釘長度的設(shè)置，可保證兩組試件螺釘旋入位置與指接位置的距離以及螺釘對膠合木梁的錨固深度相同。試件分組見表1，試件示意圖見圖1～圖3。

表1 試件分組

注：試件尺寸為2 850 mm×50 mm×150 mm。

圖1 RF1組試件示意圖(數(shù)據(jù)單位：mm)

圖2 RF2組試件示意圖(數(shù)據(jù)單位：mm)

圖3 RF3組試件示意圖(數(shù)據(jù)單位：mm)

以與試驗(yàn)用材同批次的云杉作為原材料，參考文獻(xiàn)[11]、[12]分別對15個(gè)棱柱體抗壓試塊和15個(gè)抗拉試件進(jìn)行試驗(yàn)，得到本次試驗(yàn)用材的順紋抗壓強(qiáng)度38.666 MPa、順紋抗壓彈性模量8 301.14 MPa、順紋抗拉強(qiáng)度81.324 MPa、順紋抗拉彈性模量9 750.11 MPa。試驗(yàn)所用加載設(shè)備和測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置與測點(diǎn)布置(數(shù)據(jù)單位：mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

各組試驗(yàn)梁隨著荷載的增加，先偶發(fā)細(xì)微聲響，當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載60%后，“噼”、“啪”聲響逐漸增多。試件發(fā)生破壞前，CT組、UF組、RF1組試件未產(chǎn)生明顯現(xiàn)象，RF2、RF3組受拉區(qū)部分木節(jié)產(chǎn)生細(xì)微裂縫。最終試驗(yàn)梁突然發(fā)出“砰”的一聲巨響，隨即試件破壞，試件破壞形態(tài)如下：

(1)脆性受拉破壞(見圖5(a))。對于CT組無指接膠合木梁，破壞前梁身無任何現(xiàn)象，底板突然發(fā)生斷裂，并形成縱向劈裂裂縫。

(2)指接膠合縫完全開裂(見圖5(b))。對于UF組未增強(qiáng)指接膠合木梁，破壞前梁身無任何現(xiàn)象，梁底指接膠合縫突然破壞，并在相鄰層板間形成縱向劈裂裂縫。

(3)指接膠合縫部分開裂(見圖5(c))。對于RF1組碳纖維布增強(qiáng)指接膠合木梁，破壞前梁身無任何現(xiàn)象，試驗(yàn)梁的指接部位未完全開裂破壞；但指接上半部發(fā)生撕裂，并于指接中部位置向兩側(cè)產(chǎn)生劈裂裂縫，延伸至碳纖維布U型箍處，使U形箍處的碳纖維布在試驗(yàn)梁的棱邊位置發(fā)生部分纖維撕裂或纖維完全斷裂的現(xiàn)象，試驗(yàn)梁梁底粘貼的碳纖維布完好，未出現(xiàn)剝離等破壞現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，是因?yàn)樘祭w維布的粘貼對試驗(yàn)梁梁底起到了較好的加固作用，保護(hù)了梁底木節(jié)；但是，碳纖維布對膠合木層板的作用有限，未能有效約束指接上半部，從而導(dǎo)致指接上半部仍在荷載的作用下發(fā)生破壞，并且破壞瞬間釋放的較大應(yīng)力將作為U型箍的碳纖維布纖維崩斷。

(4)梁底木節(jié)開裂(見圖5(d)、圖5(e))。對于RF2組垂直旋入自攻螺釘增強(qiáng)指接膠合木梁、RF3組45°旋入自攻螺釘增強(qiáng)指接膠合木梁，在加載過程中，梁底部分木節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫或周圍斜紋理發(fā)生開裂，最終在某一開裂部位發(fā)生斷裂，但指接部位未發(fā)生破壞。這是由于自攻螺釘錨固能力對指接部位起到了增強(qiáng)和保護(hù)作用，將破壞轉(zhuǎn)移到了相對薄弱的木節(jié)處。相比之下，垂直旋入自攻螺釘對破壞裂縫的開展起到了更好的約束作用。

圖5 試件破壞形態(tài)

2.2 極限荷載與荷載-撓度曲線

由表2可見：底板存在指接的膠合木梁的極限承載能力，明顯低于無指接的膠合木梁，降低幅度為25.4%，說明指接的存在會明顯降低膠合木梁的受彎承載力。采用的增強(qiáng)措施，均明顯降低了底層板指接對膠合木梁受彎極限承載能力的削弱作用，RF1、RF2、RF3組分別比未對指接進(jìn)行增強(qiáng)的試驗(yàn)梁的承載能力提高了28.2%、17.4%、10.1%。

表2 膠合木梁的極限荷載

注：*為ΔF=((FUF-FCT)/FCT)×100%，**為ΔF=((FRF-FUF)/FUF)×100%。式中：FUF為UF組試件極限荷載平均值，F(xiàn)CT為CT組試件極限荷載平均值，F(xiàn)RF為RF1～RF3各組試件極限荷載平均值。

由圖6可見：對比沒有指接的試驗(yàn)梁(CT組)與梁底存在指接的試驗(yàn)梁(UF組)的荷載-跨中撓度曲線，發(fā)現(xiàn)UF組曲線的斜率明顯低于CT組曲線斜率，即UF組試驗(yàn)梁的剛度低于CT組試驗(yàn)梁，說明膠合木梁中指接的存在，不僅會降低梁的極限承載能力，也會對梁的剛度產(chǎn)生影響。

圖6 荷載-跨中撓度關(guān)系曲線

經(jīng)計(jì)算，CT組試驗(yàn)梁的剛度為0.438 4 N/mm、UF組試驗(yàn)梁的剛度為0.337 8 N/mm，與底層板沒有指接的試驗(yàn)梁相比，梁底存在指接的試驗(yàn)梁剛度降低了22.95%。RF1～RF3組試驗(yàn)梁的曲線位于CT組與UF組之間，說明本試驗(yàn)對底層板指接采取的增強(qiáng)措施，除可以降低指接對膠合木梁承載力方面的影響外，還可以顯著提高指接膠合木梁的剛度，使其力學(xué)性能更接近無指接膠合木梁。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

由圖7可見：在加載過程中，試件上下層板的應(yīng)變隨著荷載的增加呈現(xiàn)線性變化，且大多數(shù)試件的拉壓應(yīng)變變化具有對稱性。在臨近極限狀態(tài)時(shí)，部分組別試件(如CT組、RF1組)，試驗(yàn)梁上部受壓區(qū)與下部受拉區(qū)木質(zhì)纖維的應(yīng)變呈現(xiàn)一定的非線性變化，層板的拉壓應(yīng)變曲線向外擴(kuò)散，單位荷載作用下拉壓應(yīng)變的增速變大；部分組別試件(如UF組、RF2組、RF3組)的拉壓應(yīng)變，則未體現(xiàn)出明顯的非線性變化，產(chǎn)生這種情況試驗(yàn)梁的破壞多較為突然，各層板的木質(zhì)纖維在破壞前仍處于彈性變形階段。

膠合木的跨中最大拉壓應(yīng)變值一般為4×10-3～5×10-3；但在施加荷載大小相同的情況下，RF2組試驗(yàn)梁產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變值較小，其最大拉壓應(yīng)變?yōu)?×10-3～4×10-3。原因是由于新型自攻螺釘?shù)膹较蝈^固能力很強(qiáng)，RF2組在跨中以垂直梁底的方式旋入自攻螺釘，在試驗(yàn)梁受彎狀態(tài)下，自攻螺釘?shù)膹较蚴芰π阅艹浞职l(fā)揮，限制了試驗(yàn)梁的拉壓應(yīng)變。

圖7 跨中截面荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

底板存在指接的膠合木梁，極限承載能力和剛度明顯低于無指接的膠合木梁，降低幅度分別為25.4%、22.95%，說明指接的存在會影響膠合木梁的受力性能。

使用碳纖維布、垂直梁底旋入新型木結(jié)構(gòu)自攻螺釘、與梁底呈45°角旋入自攻螺釘3種指接增強(qiáng)措施，分別將膠合木梁的受彎極限承載能力提高了28.2%、17.4%、10.1%，剛度提高至與無指接試驗(yàn)梁剛度相近，且試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)，由指接膠合縫完全開裂轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠只蛲耆婚_裂。

垂直旋入新型木結(jié)構(gòu)自攻螺釘增強(qiáng)指接的方法，可充分利用自攻螺釘徑向受力性能，使試驗(yàn)梁在承受相同大小荷載的情況下，產(chǎn)生更小的拉壓應(yīng)變。在同等荷載作用下，該組試驗(yàn)梁的拉壓應(yīng)變，比其他組別的試驗(yàn)梁小25%～40%。同時(shí)，將破壞轉(zhuǎn)移到相對薄弱的木節(jié)處，并有效限制了破壞裂縫的開展。