角鋼?集成材L 形組合柱的受壓性能研究

李威，高穎，孟鑫淼，胡祺斌，邱雅琴

（1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京林業(yè)大學(xué)土木工程系，北京 100083）

預(yù)制裝配式木結(jié)構(gòu)建筑由于其節(jié)能環(huán)保、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越被廣泛應(yīng)用［1］?！吨泄仓醒雵?guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》提出大力推廣裝配式建筑，在具備條件的地方倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑［2］。住建部《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》提出建立裝配式建筑技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)“鋼?混”“鋼?木”“木?混”等裝配式組合結(jié)構(gòu)的研發(fā)應(yīng)用［3］。但同時(shí)，國(guó)內(nèi)裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)仍不夠完善，施工水平也參差不齊，在安裝過(guò)程中會(huì)存在累計(jì)誤差影響安裝精度的問(wèn)題。為此，新型的材料組合形式將有助于完善裝配式木結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)體系。

異形柱指的是形狀為L(zhǎng) 形、T 形和十字形的柱［4］。異形柱結(jié)構(gòu)有利于施工時(shí)的安裝定位，同時(shí)由于具有房間得房率高、空間布置靈活等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中［5］。但相應(yīng)的，與傳統(tǒng)矩形柱相比，異形柱的抗震能力和受壓時(shí)的穩(wěn)定性會(huì)因?yàn)榻孛娴漠愋味艿较魅酰?］。為此有學(xué)者提出用型鋼混凝土的形式來(lái)提高其力學(xué)性能［7］，型鋼骨架可以使混凝土異形柱的軸心受壓［8］和偏心受壓能力［9］有很大提升。

鋼木組合異型柱與型鋼混凝土異形柱相似，可以通過(guò)木材與鋼材的組合和協(xié)同作用來(lái)確保結(jié)構(gòu)柱在異形截面下保持良好的力學(xué)性能。鋼木組合結(jié)構(gòu)常用于增加木質(zhì)結(jié)構(gòu)柱的承載能力，主要分為兩種形式：一種是木質(zhì)圓柱或方柱中間設(shè)置型鋼，再用膠黏劑與角鋼相連接［10-12］，包覆層可起到防止鋼材屈曲的作用，同時(shí)又可減少鋼材與外界空氣的接觸，防止其氧化生銹。另一種是在圓柱或方柱外圍包覆鋼材［13-14］，約束木材的橫向變形。目前對(duì)鋼木組合柱的研究主要圍繞在對(duì)鋼木組合柱承載力的分析預(yù)測(cè)以及結(jié)構(gòu)柱在受到荷載時(shí)鋼材與木材的共同工作情況。已有的研究認(rèn)為規(guī)則形狀鋼木組合柱的軸向承載力相對(duì)于純木柱顯著提升［10］，木材的使用可以較大程度地提升強(qiáng)重比［13］。木包鋼的結(jié)構(gòu)形式可以使型鋼的屈曲行為得到很大的改善［11］，鋼材和木材可以通過(guò)膠黏劑結(jié)合而有效地共同承擔(dān)荷載［12］；鋼包木的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)膠黏劑使木材和鋼材相連，可以改善木材裂縫、木節(jié)等天然缺陷對(duì)木材強(qiáng)度的影響，明顯改善木材破壞形態(tài)，起到加固木材、提升剛度的作用［14］。

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼木組合柱進(jìn)行了相關(guān)研究［15］，但是研究的均是規(guī)則形狀的柱體，木結(jié)構(gòu)建筑中的異形柱結(jié)構(gòu)形式在國(guó)內(nèi)外都未發(fā)現(xiàn)有研究和使用?？紤]到木包鋼的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于鋼包木更加易于預(yù)制與維護(hù)，且外形美觀、安裝方便，本研究設(shè)計(jì)了兩組不同角鋼類型的角鋼?集成材組合L 形異形柱，作為框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)的角柱，并對(duì)其進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究；以角鋼邊寬度對(duì)L 形柱正截面承載力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究與有限元模擬分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）北美進(jìn)口一級(jí)SPF 規(guī)格材（云杉?松木?冷杉），密度0.457 g/cm2，含水率13.99%。

2）型鋼：試驗(yàn)采用熱軋等邊角鋼，角鋼相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 角鋼類型及尺寸Table 1 The type and size of angle steel

3）膠黏劑：水性乙烯基聚氨酯膠黏劑，用于結(jié)構(gòu)用集成材的制作；e?44 環(huán)氧樹(shù)脂膠和固化劑650聚酰胺樹(shù)脂，用于角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的膠合連接。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組角鋼?集成材L 形組合柱截面尺寸，如圖1 所示，同時(shí)設(shè)計(jì)了與L 形柱橫截面積相近的方形木柱作為對(duì)照組。其中L?S100 和L?S125 為角鋼集成材L 形柱，S?W196 為方形木柱。

圖1 試件截面示意圖Fig.1 The cross section of specimens

L 形柱和木柱使用的角鋼類型、試件長(zhǎng)度和截面面積如表2 所示。

表2 試件類型及尺寸Table 2 The types and sizes of specimens

1.3 角鋼?集成材L 形組合柱的制作

1）結(jié)構(gòu)用集成材制備。將SPF 規(guī)格材使用水性乙烯基聚氨酯膠黏劑膠合，膠黏劑涂抹量250 g/m2，加壓溫度30 ℃，壓緊壓力3～10 kgf/m2，加壓時(shí)間60 min，分別制作成規(guī)格為113 mm×174 mm×500 mm 和113 mm×226 mm×500 mm 的結(jié)構(gòu)用集成材，開(kāi)槽后嵌入角鋼。同時(shí)制作了規(guī)格為196 mm×196 mm×500 mm 的集成材作為對(duì)照木柱。

2）結(jié)構(gòu)用集成材開(kāi)槽。將制作好的結(jié)構(gòu)用集成材進(jìn)行銑形并開(kāi)槽成截面形狀為圖2 所示、標(biāo)注為1 和2 的兩根木柱，并使兩根木柱相互垂直相接。木槽與角鋼為間隙配合，間隙為0.5 mm。木柱2 與熱軋等邊角鋼（圖中標(biāo)注為3）角部?jī)?nèi)圓弧相接觸的部分倒圓角，半徑與熱軋等邊角鋼內(nèi)圓弧半徑相同（試件L?S100 為12 mm、試件L?S125 為14 mm）。

圖2 角鋼?集成材L 形組合柱組坯示意圖Fig.2 The manufacturing process of specimens

3）施膠與組坯。將環(huán)氧樹(shù)脂e?44（6101）和聚酰胺樹(shù)脂按照1∶1的比例攪拌均勻，然后將攪拌均勻的膠黏劑填充至結(jié)構(gòu)用集成材1、2 的槽內(nèi)后插入熱軋等邊角鋼3，使角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的空隙被填滿。涂膠時(shí)在兩根木柱1、2 之間的連接部位也施加膠黏劑，使其緊密連接，組坯時(shí)角鋼對(duì)稱軸和組合柱對(duì)稱軸重合。

4）加壓與校準(zhǔn)。將已經(jīng)組坯完成的鋼木L 形組合柱上下左右四面加壓，加壓溫度為30 ℃，加壓時(shí)間48 h，加壓壓力3～10 kgf/m2，加壓時(shí)確保L形柱的角度為90°。

1.4 試件加載方案及設(shè)備

軸壓試驗(yàn)使用濟(jì)南方辰wAw?2500B500t 作動(dòng)器加載系統(tǒng)施加軸向荷載，參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D198?15《Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes》，在正式加載之前，對(duì)安裝好的試驗(yàn)柱進(jìn)行預(yù)加載，保證加載系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)正常工作。正式開(kāi)始試驗(yàn)后以1 mm/min 的均勻速度進(jìn)行加載，試件破壞后承載力降至最大荷載的80%時(shí)停止試驗(yàn)。

L 形柱兩端用特制夾具夾緊以減小端部開(kāi)裂對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，夾具與試件之間使用113 mm×113 mm×100 mm 的木質(zhì)墊塊以確保加載時(shí)的穩(wěn)定性，如圖3 所示。

圖3 試件加載裝置及夾具Fig.3 Experimental setup and instrumentations

試件的位移計(jì)和應(yīng)變片布置如圖4 所示，采用東華測(cè)試公司DH3816 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行位移和應(yīng)變的采集。在L 形柱中央截面的各個(gè)方向黏貼標(biāo)距為100 mm 的電阻應(yīng)變片，記錄荷載作用下的應(yīng)變；在柱腳兩側(cè)各安設(shè)一個(gè)位移計(jì)，記錄軸向壓縮位移；在柱的中央截面的4 個(gè)方向各安設(shè)一個(gè)位移計(jì)，記錄跨中撓度值。對(duì)照組軸壓試驗(yàn)加載制度與L 形柱相同。

圖4 量測(cè)裝置布置圖Fig.4 Measurement schematic view

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

試驗(yàn)加載初期，試件各個(gè)方向的橫向位移相近，沒(méi)有明顯差別，說(shuō)明在彈性階段，鋼木L 形組合柱各截面均勻受力。隨著荷載的持續(xù)增加，柱體的木質(zhì)部分開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，此時(shí)柱體仍能繼續(xù)承擔(dān)荷載；當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，裂紋開(kāi)始增多并擴(kuò)大，試件L?S100 裂紋出現(xiàn)在長(zhǎng)邊處，而試件L?S125 的裂紋出現(xiàn)在短邊處，這是由于L?S125 試件的角鋼邊寬度較大、槽較深造成的。裂紋分為聚氨酯膠縫裂縫和木材本身開(kāi)裂兩種。木材本身開(kāi)裂時(shí)，長(zhǎng)邊集成材出現(xiàn)側(cè)向鼓脹。試件各階段的破壞特征有所不同，圖5a 和5b 分別是試件L?S100 和L?S125 的最終破壞形態(tài)：L?S100 的集成材出現(xiàn)屈曲和斷裂，試件承載能力緩慢下降直到完全破壞，L?S125 的集成材中間部位出現(xiàn)壓潰斷裂，試件失去承載能力。

試件破壞后，兩塊集成材之間環(huán)氧樹(shù)脂膠層界面連接緊密，未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；角鋼內(nèi)側(cè)與集成材的膠合界面有較為明顯分離，膠層分離處粘連有木材，角鋼外側(cè)與木材的膠合依然緊密；角鋼的屈曲形狀與集成材鼓脹形狀一致，這是由于在彈性階段時(shí)，角鋼的橫向變形受到木材的約束，屈曲受到限制，從而較好地和木材共同承擔(dān)荷載，而在試件破壞時(shí)，由于膠黏劑的使用，角鋼和木材之間共同作用，一起產(chǎn)生橫向變形，所以破壞形狀相似。壓彎后的試件鋼材的頂部高度略低于集成材。

圖5 角鋼?集成材L 形組合柱破壞形態(tài)Fig.5 The failure modes of composite specimens

2.2 試件荷載?位移曲線

試件L?S100、L?S125 和S?W196 峰值荷載見(jiàn)表3，荷載?位移曲線見(jiàn)圖6，其中初期剛度取荷載位移曲線上0.1Pmax和0.4Pmax兩點(diǎn)的割線剛度。在加載的初期，3 根試件受力處于彈性階段，荷載隨位移線性增加。隨后進(jìn)入屈服階段，荷載仍然在增加，但增加速率變小，此時(shí)鋼材進(jìn)入屈服階段，試件進(jìn)入彈塑性變形階段。當(dāng)荷載增大到一定限值時(shí)，試件進(jìn)入塑性階段。最終由于集成材屈曲或壓潰斷裂，試件荷載開(kāi)始下降，然后達(dá)到破壞。試件L?S125 和木柱在達(dá)到最大荷載后的荷載位移曲線相似，開(kāi)始均勻下降；試件L?S100 在達(dá)到最大荷載后荷載隨位移下降緩慢。試驗(yàn)結(jié)果表明，試件L?S100 和L?S125 的最大荷載比木柱分別增加了37.0%和51.4%，試件L?S100 和L?S125 的剛度比木柱分別增加了36.5%和72.8%。從圖6d 可以看出，適當(dāng)增加L 形組合柱中的角鋼邊寬度可以使承載能力有效提高，但是其短邊處的集成材易產(chǎn)生破裂。

表3 試件峰值荷載對(duì)比Table 3 The comparison of ultimate load among different specimens

圖6 試件荷載?位移曲線圖Fig.6 Load?displacement curve of specimens

2.3 試件截面應(yīng)變分析

圖7 不同荷載下試件L?S100 和L?S125 各截面應(yīng)變Fig.7 The cross section strain of species L?S125 and L?S100 under different levels of load

通過(guò)在試件中部黏貼的應(yīng)變片，獲取試件的截面應(yīng)變分布情況（圖7）。試件在加載過(guò)程中，截面應(yīng)變?cè)趶椥怨ぷ鞣秶鷥?nèi)呈線性增長(zhǎng)，最早進(jìn)入塑形形變的部位先產(chǎn)生鼓脹破壞。不同試件縱向的應(yīng)變?cè)诮孛鎯?nèi)分布不同，L?S100 試件形心朝長(zhǎng)邊方向產(chǎn)生偏壓，而L?S125 試件沿形心向L 形內(nèi)側(cè)偏壓。L?S100 試件面積較小的柱肢的縱向應(yīng)變更大，可能是由于L?S100 角鋼在該柱肢內(nèi)的長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致膠合面積較小側(cè)集成材為較薄弱區(qū)，產(chǎn)生更大的應(yīng)變，最早發(fā)生破壞與傾斜；L?S125 試件的角鋼具有更大的邊寬度，使兩段集成材受力較為均勻，靠近兩柱肢端部應(yīng)變均較大。膠縫對(duì)長(zhǎng)邊應(yīng)變的應(yīng)變影響較小，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂膠工作性能良好。所有試件的L 形內(nèi)側(cè)應(yīng)變均比長(zhǎng)邊部位小，說(shuō)明長(zhǎng)邊是L 形柱應(yīng)力較為集中的地方。

2.4 試件承載力與彈性模量理論分析

將試驗(yàn)所得的L 形柱周圍的應(yīng)變值通過(guò)Matlab 軟件，利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸模擬，得到柱軸心處的應(yīng)變值，如表4 所示。基于彈性力學(xué)理論，組合柱的名義彈性模量可按下述公式計(jì)算：

式中：E為名義彈性模量；Es（Eb）為鋼材（木材）彈性模量；Cs（Cb）為試件含鋼（木）率，即截面上鋼（木）占總截面面積的百分比。

表4 試件抗壓彈性模量對(duì)比Table 4 The comparison of compressive modulus of specimens

據(jù)此計(jì)算可知，L?S100 的彈性模量E為16.8 GPa，L?S125 的彈性模量E為18.9 GPa，試件L?S100 和L?S125 的計(jì)算值分別為理論值的94.9%和96.1%。公式（1）只考慮了兩種材料本身的彈性模量因素，而未考慮L 形柱異形截面對(duì)試件彈性模量有所影響，因此引入截面異形系數(shù)K對(duì)公式進(jìn)行調(diào)整，如式（2）所示：

式中，K為截面異形系數(shù)?？梢钥闯鯧的取值和角鋼的邊寬度有一定正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)榻卿撨厡挾鹊脑黾涌梢愿纳芁 形柱異形截面對(duì)力學(xué)性能的不利影響。取K值為95%可以較好地?cái)M合實(shí)際情況。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，角鋼的屈服標(biāo)志著整個(gè)試件開(kāi)始進(jìn)入塑性階段；試件達(dá)到的極限承載力值與彈性極限值之間有明顯塑形形變階段，塑性強(qiáng)化作用較為明顯。將試件達(dá)到的彈性極限值作為組合柱的受壓承載力。由此可得鋼木組合柱的承載力計(jì)算公式為：

式中：Nu為組合柱承載力；A為試件的截面總面積；бsy為鋼材屈服強(qiáng)度。試件的實(shí)際承載力比公式（3）算得的計(jì)算承載力高了8.3%～13.5%，這部分的差異是由于鋼材的屈曲受到木材限制，角鋼進(jìn)入塑形強(qiáng)化階段，從而提高了最大承載力。

2.5 ANSYS 有限元模型分析

ANSYS 有限元分析采用SOLID 45 各向異性塑性材料實(shí)體單元定義木材，SOLID 185 單元定義鋼材，劃分網(wǎng)格如圖8，邊界條件與試驗(yàn)一致。選取云杉的材料參數(shù)作為集成材的力學(xué)參數(shù)，表5、6列出了集成材和鋼材所用的材料參數(shù)，其中集成材材料參數(shù)參考《Wood Handbook》。加載過(guò)程為力加載。

圖8 試件有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Mesh results of finite element model

表5 集成材所用材料參數(shù)Table 5 The material parameters of glued laminated timber

L?S100 的有限元模擬結(jié)果見(jiàn)圖9。軸向變形的模擬計(jì)算值為3.12 mm，比試驗(yàn)結(jié)果小14.33%～35.96%，這可能是由于有限元分析未考慮到木材在加載初期柱體端部的纖維細(xì)胞被壓密的情況。L 形柱的兩端木柱柱肢處位移較大，這與試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的L 形柱L?S125 周圍各點(diǎn)應(yīng)變值變化情況基本一致。

表6 鋼材所用材料參數(shù)Table 6 Material parameters of steel

取柱高度中央截面軸心節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力繪制應(yīng)力?應(yīng)變曲線，與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖10 所示。從圖中可看出，應(yīng)力?應(yīng)變曲線的模擬值與試驗(yàn)值的發(fā)展趨勢(shì)基本一致。初始階段模擬彈性模量比試驗(yàn)值的彈性模量小，可能由于鋼材與木材之間設(shè)置的接觸對(duì)面積較大，產(chǎn)生較大的界面應(yīng)力帶來(lái)的誤差。實(shí)際試驗(yàn)中由于加工以及端面的個(gè)體差異，初始斜率大小呈現(xiàn)略微差異，在彈塑性階段應(yīng)力?應(yīng)變曲線擬合程度最好。取加載點(diǎn)處的豎向位移繪制荷載?位移曲線，如圖11 所示，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。模擬彈性模量與試驗(yàn)值和理論計(jì)算值的對(duì)比見(jiàn)表7。從表中可發(fā)現(xiàn)角鋼邊寬度越大，鋼木L 形組合柱模擬所得的彈性模量越大，與試驗(yàn)結(jié)果以及理論計(jì)算結(jié)果一致，誤差在10%以內(nèi)，ANSYS 有限元模擬結(jié)果基本可靠。

圖9 有限元分析中L 形組合柱位移變形圖Fig.9 The deformation of L?shaped composite column using FEA

圖10 試件有限元與試驗(yàn)應(yīng)力?應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.10 Experimental stress?strain curve of specimens compared with FEA results

表7 彈性模量對(duì)比Table 7 The comparison of elastic modulus

圖11 試件有限元與試驗(yàn)荷載?位移曲線對(duì)比Fig.11 Experimental load?displacement curve of specimens compared with FEA results

3 結(jié)論

1）角鋼?集成材L 形組合柱相對(duì)于同截面面積的木柱承載能力上升37.0%～51.4%，剛度上升36.5%～72.8%。

2）適當(dāng)增加鋼木L 形組合柱的角鋼邊寬度可有效提高其承載能力，但短邊處的集成材易發(fā)生破裂。

3）L 形組合柱的兩塊集成材之間的環(huán)氧樹(shù)脂膠合界面在破壞前后性能良好，承載力計(jì)算時(shí)需要考慮鋼材的屈服后強(qiáng)化作用。

4）ANSYS 有限元模擬的鋼木L 形組合柱彈性模量結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果基本可靠。