新型自攻螺釘加固措施對(duì)膠合木梁受彎性能的影響1)

左宏亮 劉翰然 魯建鑫

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木材作為一種可再生、低能耗、無(wú)污染的天然材料，其節(jié)能效果和環(huán)保性遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土、鋼筋等建筑材料[1-3]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是目前非常適應(yīng)綠色建筑的結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)的整體性能優(yōu)于原有的木結(jié)構(gòu)體系[4-5]。膠合木是一種現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中常用的工程木產(chǎn)品，通過(guò)膠合層疊的方法提高了木材的利用率，并且能夠制作出有較強(qiáng)抗變形能力的膠合木構(gòu)件[6]。膠合木梁抗彎性能，極易受其底層板的缺陷影響[7-8]。普通膠合木梁的破壞為脆性破壞，在破壞時(shí)往往是梁底的木節(jié)、指接等缺陷部位首先發(fā)生破壞，破壞后產(chǎn)生的裂縫會(huì)在梁側(cè)面、梁底沿梁的縱向迅速地開(kāi)展，破壞的過(guò)程非常突然，通常還伴隨有較大的木材劈裂，存在一定的危險(xiǎn)性。本文針對(duì)上述問(wèn)題，采用對(duì)膠合木梁梁底旋入新型自攻螺釘這一新型加固方法，對(duì)膠合木梁進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)，分析新型自攻螺釘不同的錨入深度、旋入角度和螺釘間距對(duì)膠合木梁受彎性能的影響，旨在為加固膠合木梁提供參考。

1 材料與方法

按照課題組前期試驗(yàn)的試件制作經(jīng)驗(yàn)[9]和GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]中的相關(guān)規(guī)定，以云杉-松木-冷杉膠合木板材(SPF板材)為原材料，制作了24根膠合木梁，每根試驗(yàn)梁的層板數(shù)均為6層，每層板的厚度均為25 mm；規(guī)定木材的順紋方向?yàn)樵囼?yàn)梁的長(zhǎng)度方向(見(jiàn)圖1)。

為了研究新型自攻螺釘?shù)腻^入深度(d)、螺釘間距(l)和旋入角度(θ)對(duì)加固后的膠合木梁受彎性能的影響，在試驗(yàn)前需要使用扭矩足夠的電鉆將新型自攻螺釘從梁底旋入試驗(yàn)梁(見(jiàn)圖2)。

試驗(yàn)選用的新型自攻螺釘均為T(mén)CC半螺紋雙沉頭滾花木螺釘(見(jiàn)圖3(a))，新型自攻螺釘以45°從梁底旋入試驗(yàn)梁(見(jiàn)圖3(b))，試驗(yàn)分組編號(hào)見(jiàn)表1。

以和試驗(yàn)用材同批次的SPF板材為原材料，參考文獻(xiàn)[9]制作了15個(gè)棱柱體抗壓試塊和18個(gè)抗拉試件，用于試驗(yàn)。測(cè)得本次試驗(yàn)材料的順紋抗壓強(qiáng)度為50.099 MPa、順紋抗壓彈性模量10 722.13 MPa、順紋抗拉強(qiáng)度74.61 MPa、順紋抗拉彈性模量9 912.00 MPa。膠合木梁受彎性能試驗(yàn)的加載設(shè)備和測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

表1 試件分組

注：試件規(guī)格為2 850 mm×50 mm×150 mm；新型自攻螺釘直徑8 mm；每個(gè)試驗(yàn)梁均為3個(gè)試件，3次重復(fù)試驗(yàn)；h為膠合木梁梁高(單位為mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通膠合木梁

普通膠合木梁在破壞時(shí)，往往是梁底木節(jié)產(chǎn)生斷裂，之后裂縫在梁側(cè)面、梁底沿梁的縱向迅速開(kāi)展，在一聲巨響后整個(gè)試驗(yàn)梁破壞。其破壞非常突然，沒(méi)有明顯的破壞預(yù)兆，是由于梁底木節(jié)受拉破壞造成的一種脆性破壞；同時(shí)，普通膠合木梁在破壞時(shí)，往往還伴隨有梁底木材的劈裂、劈斷等現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。存在著一定的危險(xiǎn)。普通膠合木梁產(chǎn)生這種破壞形態(tài)，主要是由于普通膠合木梁沒(méi)有加固措施的約束，導(dǎo)致梁底木節(jié)等薄弱位置在受拉后非常容易發(fā)生破壞，破壞后產(chǎn)生的裂縫會(huì)沿木材紋理方向迅速發(fā)展，進(jìn)而造成了試驗(yàn)梁底部木材出現(xiàn)劈裂、劈斷的現(xiàn)象。為了減緩和抑制膠合木梁的脆性破壞，采取有效加固措施非常必要。

2.2 加固膠合木梁的破壞形態(tài)

2.2.1 梁底木材受拉破壞

梁底木材受拉破壞，這種破壞形態(tài)只發(fā)生在加固的膠合木梁中。該種破壞形態(tài)，梁隨著受力的增大，試驗(yàn)梁底部會(huì)由開(kāi)始出現(xiàn)輕微響動(dòng)發(fā)展到后期梁底出現(xiàn)連續(xù)持續(xù)的“噼”、“啪”響動(dòng)。破壞后的膠合木梁從外觀看，除了斷裂木材及其周?chē)簜?cè)面、梁底出現(xiàn)一段縱向裂縫外，試驗(yàn)梁其余部位表面仍然平整，并未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)。產(chǎn)生這種破壞形態(tài)，主要是由于新型自攻螺釘與木材之間的相互作用，抑制了膠合木梁內(nèi)部的木質(zhì)纖維在受力之后在試驗(yàn)梁高度方向分離的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致梁側(cè)面縱向裂縫的寬度特別窄小。

2.2.2 梁底木節(jié)受拉破壞

加固的膠合木梁，同樣存在梁底木節(jié)的受拉破壞(見(jiàn)圖7)。隨著加載的進(jìn)行，同樣是梁底薄弱木節(jié)處首先出現(xiàn)裂縫，之后裂縫在梁側(cè)面沿試驗(yàn)梁縱向繼續(xù)發(fā)展。不同于普通膠合木梁的裂縫，在梁側(cè)面產(chǎn)生后直接發(fā)展為劈裂木材；加固梁的木節(jié)裂縫出現(xiàn)后，會(huì)隨著每級(jí)加載的進(jìn)行在梁側(cè)面沿縱向不斷地發(fā)展，在發(fā)展的過(guò)程中，連接梁側(cè)面多處木節(jié)缺陷，直至試驗(yàn)梁發(fā)生破壞，破壞形態(tài)為梁底木節(jié)受拉破壞。

加固梁破壞時(shí)，梁側(cè)面的縱向裂縫，在長(zhǎng)度及寬度上都遠(yuǎn)小于普通膠合木梁。這主要是由于新型自攻螺釘?shù)腻^固作用，抑制住了縱向裂縫寬度上的發(fā)展；同時(shí)，由于旋入了新型自攻螺釘，改變了梁底的最薄弱位置，使得破壞起始的木節(jié)，甚至不在跨中純彎段；而且通過(guò)新型自攻螺釘?shù)腻^固作用，使得縱向裂縫發(fā)展時(shí)，不會(huì)直接劈裂木材，反而會(huì)不斷連接梁側(cè)面各薄弱木節(jié)，直到試驗(yàn)梁最后發(fā)生破壞。

2.2.3 梁頂木材受壓破壞

加固后的膠合木梁，出現(xiàn)了梁頂木節(jié)受壓破壞形態(tài)(見(jiàn)圖8)。在該種破壞形態(tài)梁受壓過(guò)程中，試驗(yàn)梁仍是梁底木材、木節(jié)首先受拉產(chǎn)生斷裂，但斷裂后的試驗(yàn)梁仍然可以繼續(xù)承重；隨著加載到最后，膠合木梁上部木節(jié)無(wú)法承受受彎過(guò)程產(chǎn)生的梁頂壓力后發(fā)生破壞，破壞形態(tài)為梁頂木節(jié)受壓破壞。

當(dāng)梁底木材出現(xiàn)斷裂后，試驗(yàn)梁彎曲產(chǎn)生的梁底拉應(yīng)力，由梁底木材承受逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦妥怨ヂ葆敵惺?，這是梁底裂縫出現(xiàn)至最后破壞時(shí)該裂縫長(zhǎng)度和寬度都未有進(jìn)一步發(fā)展的原因；上部的木材由于沒(méi)有任何加固措施，所以木材最后無(wú)法承受彎曲產(chǎn)生的梁頂壓力，產(chǎn)生受壓破壞。

2.3 加固膠合木梁的受彎性能

2.3.1 極限荷載

由表2可見(jiàn)：試驗(yàn)梁的極限荷載與錨入深度呈正相關(guān)，當(dāng)錨入深度達(dá)到100 mm后，極限荷載的增幅有所降低。原因是由于隨著錨入深度的增加，新型自攻螺釘可拉緊更多沿梁高方向的木材，使得試驗(yàn)梁梁底木材可更好地拉結(jié)在一起承受梁底彎曲拉力；螺釘間距對(duì)極限荷載的影響不大。原因是由于在拉緊相同深度的木材時(shí)，螺釘間距為2.0h時(shí)，錨入的自攻螺釘足夠承受試驗(yàn)梁彎曲時(shí)產(chǎn)生的梁底拉力，所以導(dǎo)致試驗(yàn)梁的極限承載能力沒(méi)有較大變化；45°旋釘加固梁的極限荷載，均大于相同螺釘數(shù)量和位置的垂直旋釘加固梁。原因是與垂直旋釘加固相比，45°旋入的自攻螺釘更接近垂直于簡(jiǎn)支梁彎曲時(shí)的主拉應(yīng)力跡線，從而可更好地發(fā)揮自攻螺釘?shù)膹较蝈^固能力，達(dá)到更好的加固效果。

表2 各組試驗(yàn)梁極限荷載對(duì)比

注：試件規(guī)格為2 850 mm×50 mm×150 mm；新型自攻螺釘直徑8 mm；每個(gè)試驗(yàn)梁均為3個(gè)試件，3次重復(fù)試驗(yàn)；h為膠合木梁梁高(單位為mm)。

2.3.2 荷載-跨中撓度曲線

由圖9可見(jiàn)：幾乎所有加固梁的剛度均優(yōu)于普通膠合木梁；與普通梁相比，所有加固梁均為發(fā)生初始剛度衰減情況，并且在加載過(guò)程中，曲線近乎一條直線，離散性較小。說(shuō)明通過(guò)新型自攻螺釘與膠合木梁之間的相互作用，可實(shí)現(xiàn)減緩和抑制膠合木梁脆性破壞，增加膠合木梁的剛度，提高其極限承載能力。

由圖9(a)可見(jiàn)：隨著錨入深度的增加，試驗(yàn)梁的剛度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中以錨入深度100 mm的試驗(yàn)梁剛度最優(yōu)。由圖9(b)可見(jiàn)：螺釘間距為1.0h時(shí)的試驗(yàn)梁剛度最優(yōu)，并遠(yuǎn)優(yōu)于其他螺釘間距試驗(yàn)梁及普通梁。由圖9(c)、圖9(d)可見(jiàn)：45°旋釘加固梁的剛度及加載過(guò)程中的曲線，離散變化均優(yōu)于相同螺釘間距時(shí)的垂直旋釘加固梁和普通梁。

圖9試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線

3 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)膠合木梁的新型加固方式，即旋入新型自攻螺釘加固膠合木梁。該方法有綠色環(huán)保、操作便捷、性能優(yōu)異和加固效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

與普通膠合木梁相比，新型自攻螺釘加固梁的極限承載能力可提高11.40%～71.40%；同時(shí)，在剛度方面，自攻螺釘加固梁的剛度均優(yōu)于普通梁；在加載過(guò)程中，加固梁的彎曲撓度變化，均小于相同荷載時(shí)的普通梁。通過(guò)新型自攻螺釘加固，達(dá)到了減緩或抑制膠合木梁脆性破壞的目的。

自攻螺釘?shù)腻^入深度與試驗(yàn)梁的極限承載能力呈正相關(guān)，垂直錨入深度為2/3倍的梁高時(shí)，試驗(yàn)梁的剛度最好；螺釘間距對(duì)試驗(yàn)梁極限承載能力的影響不大，但對(duì)試驗(yàn)梁的剛度存在較大影響，因此建議自攻螺釘?shù)穆葆旈g距不宜大于1倍梁高；45°旋釘加固的試驗(yàn)梁，在極限承載能力和剛度上，均優(yōu)于垂直旋釘加固梁。

結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、操作性和提高效果等多方面因素考慮，推薦加固方式為：螺釘垂直錨入深度為2/3倍的梁高、螺釘間距為1倍的梁高、螺釘旋入角度為45°的加固方法。