膠合木空心柱偏心受壓力學性能試驗研究

朱厚源,劉佳桐,王解軍

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

近年來，在國家鼓勵節(jié)能環(huán)保，大力推動裝配式建筑的背景下，木結構以其裝配式和可再生的特點得到了廣泛的關注。相比于國外輕型木結構的廣泛應用，目前國內木結構主要使用梁柱體系以突出文化特征，并且多使用進口木材、造價偏高。在公路橋梁景觀資源利用方面，木結構在周雄飛[1]提出的公路自身景觀的自身特征和工程構造兩項中均有較大的發(fā)展空間。

為了提高木柱的承載力及使用國產木材以降低造價，本文以國產興安落葉松鋸材為材料，研究同體積材料下，采用空心截面對膠合木柱承載力的改善情況，并探明空心膠合木柱的破壞模式和變形特點，為木結構工程設計提供參考。

在國內，黃紹胤[2-5]率先系統(tǒng)研究了傳統(tǒng)木柱受力性能。日本佐佐木光[6]通過試驗研究，首先提出圓筒形旋切板膠合木(LVL)可用做結構用材，山內秀文[7]給出了圓筒形LVL物理性能最優(yōu)的制作方式。

空心膠合木柱構件形式首先由HARRIES K A[8]等人提出，采用的是由4塊規(guī)格材相互正交膠合壓制形成中空的方形柱構件。羅志華[9]研究了空心率和長細比對膠合空心木柱極限承載力的影響，提出了承載力計算公式，但只進行了軸心受壓試驗。張露[10]采用云杉為原材料，進行了以偏心距為控制因素的木柱受壓試驗，給出了一種計算模型。楊孝博[11]通過試驗研究落葉松空心膠合木圓柱的軸心受壓性能，證明用鋸材直接膠合成的圓筒形構件可用做結構材，將膠合木的應用擴充到圓筒形構件中，但只進行了軸心受壓短柱試驗，對圓筒形空心長柱和偏心受壓性能未做研究。

綜上所述，國內外關于空心膠合木柱的受力性能研究不足，特別是針對偏心受壓的興安落葉松膠合木空心柱受力性能鮮有研究。本文基于模型試驗，研究興安落葉松膠合木空心柱偏心受壓的破壞模式與機理、承載力、應力及變形規(guī)律，所得成果可為工程設計提供參考。

1 試件設計

本試驗原材料采用國產興安落葉松鋸材和結構膠粘劑：鋸材尺寸約為40 mm×200 mm×3 000 mm；膠粘劑采用聚氨脂結構膠；通過將木板施膠、加壓養(yǎng)護24 h來粘結成膠合木柱。木材常溫下基本物理力學性能依據本次試驗以及楊孝博[11]和楊濤[12]的試驗結果，并對比了林佶[13]和王俊人[14-15]的試驗結果，其具體數值如下：初始密度為0.66 g/cm3，含水率14.87%，抗拉強度128.68 MPa，抗壓強度42.04 MPa，抗彎強度86.23 MPa，彈性模量10 300 MPa。膠粘劑的具體物理性質如下：固體含量(58±3)%，剪切強度≥10 MPa，抗拉強度≥40 MPa，抗壓強度≥75 MPa，木破率≥70%，彈性模量≥3 500 MPa。

參考《木結構試驗方法標準》GB/T50329-2012和ASTM D198中的相關規(guī)定[16-17]，本試驗共設計了9根空心膠合木柱和3根實心膠合木柱，構件尺寸和偏心情況如表1所示。

表1 試件尺寸Table1 Maindimensionsoftestpieces試件分組編號截面尺寸b×h/mm試件長度L/mm初始偏心距e0/mm相對偏心率m試件數量KZ1150×15016000.00.03KZ2150×150160037.51.53KZ3150×150160075.03.03SZ120×120160060.03.03注:b,h分別為試件的截面寬度和截面高度,相對偏心率m=6e0/h。

試件分為兩類，第一類試件(空心截面柱)按偏心率分成3組(分組編號KZ1～KZ3)，每組3個試件，各試件尺寸相同，即長×寬×高為1 600 mm×150 mm×150 mm；第二類試件(實心截面柱)共1組(編號SZ)3個，尺寸長×寬×高為1 600 mm×120 mm×120 mm，偏心率為3。因加載需要，在木柱兩端設置了牛腿。為保證試驗中牛腿部分不發(fā)生破壞，制作時除了把牛腿和試件膠粘在一起外，還用螺栓連接進行了加強。圖1為試件照片和尺寸示意圖。

(a)試件照片

2 加載與測量

本次試驗在中南林業(yè)科技大學土木工程試驗中心進行，主要設備為：5 000 kN壓力試驗機、東華DH3 821采集儀、100 mm量程和200 mm量程的位移傳感器、120-80AA應變片等。加載裝置見圖2，上下端部均采用單向刀鉸，試件的計算長度為試件本身的長度L加上試件兩端刀鉸的厚度，共1 754 mm?？刂葡到y(tǒng)為配套的計算機軟件，試驗機通過底部千斤頂施加荷載。

(a)裝置設計圖

測點布置見圖3，在試件的中部和底部共安裝了3個位移傳感器，測量試件的側向位移。試件1/2高度處的4個側面均粘貼標距100 mm的電阻應變計，3號和7號應變片對稱設置；6號和7號應變片配合1號和5號可用于判斷試件受壓側外側和受拉側外側的應力分布情況；由于木材材質不均勻的特點，根據現場的試驗具體情況，部分構件在1/3和1/4柱高處加設個別應變片作為參照。應變和位移數據均通過數據儀采集。

圖3 應變片與位移計布置圖(單位：mm)

支座安裝后，將試件進行初步定位，通過夾具將其調整對中、并固定。然后安裝位移計，再將應變片和位移計連上數據采集儀。

正式加載前，先進行5 kN到10 kN的預加載以消除試件與裝置間的空隙，同時檢驗彎曲平面外的對中情況。采用先荷載控制、后位移控制的兩階段加載方式，先期加載速度為10 kN/min，達到預計極限荷載的1/3時，轉換為2 mm/min速度。試驗終止條件設為施加荷載瞬時下降30%。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

所有試件加載的初始階段，壓力-應變曲線呈線性變化，應變數值顯示截面均為受壓。對于軸心受壓的空心截柱，當荷載接近極限荷載時，試件中部側面出現豎向裂縫，最后伴隨一聲巨響，試件破壞[見圖4(a)]。對于偏心受壓的空心空心截面柱，當加載至極限荷載的60%時，試件出現輕微的響聲，試件彎曲，支座有明顯的轉角；當加載至極限荷載的80%時，試件受壓側木材屈服出現褶皺；當荷載接近極限荷載時，試件受壓側褶皺明顯，部分試件受拉側靠近螺栓處出現微小裂縫；最后伴隨一聲巨響，試件中部側面出現豎向裂縫，承載力下降。加載過程中，所有偏壓空心截面柱試件受拉外側均無受拉破壞現象[見圖4(b)、(c)]。

(a)KZ1-1

對于實心截面柱加載，當加載至極限荷載的60%時，試件發(fā)生明顯的彎曲和轉角；達到90%極限荷載時，試件受壓側木紋出現褶皺；繼續(xù)加載，試件出現連續(xù)不斷的噼啪聲，受壓側褶皺發(fā)展，受拉側出現裂縫，撓度持續(xù)增加，承載力減??；最后伴隨一聲巨響，受拉側斷裂，試件失去承載力[見圖4(d)、(e)]。

破壞模式：由試驗現象可知，軸心受壓的空心截面柱極限荷載下中部產生豎向裂縫，橫紋受拉破壞；偏心受壓的空心截面柱隨荷載增大，首先受壓側木材屈服出現褶皺、然后柱子中部側面出現豎向裂縫，最終被壓潰。實心截面柱隨偏壓荷載增大，首先受壓側木材屈服出現褶皺，然后受拉側開裂、木材被拉斷，發(fā)生彎曲拉壓破壞。

破壞機理：由于木材順紋抗拉強度較高，順紋抗壓強度及橫紋抗拉強度相對較低，對于軸心受壓的膠合木空心柱，當截面的橫向拉應力超過木材的橫紋抗拉強度時，木材開裂即產生豎向裂紋，屬于典型的受壓破壞。對于偏心受壓(小偏心)的空心柱，截面主要產生壓應力，受拉側拉應力較?。灰虼?，當受壓側外緣最大壓應力達到木材順紋抗壓強度時，木材受壓屈服產生褶皺，然后柱的中部截面橫向拉應力過大導致木材橫紋受拉破壞，產生豎向裂縫，試件被壓潰。實心柱的截面高度和彎曲抵抗矩比空心柱小，受壓時截面外側的拉、壓應力均較大，隨荷載增大首先受壓側外緣壓應力達到木材順紋抗壓強度，木材屈服發(fā)生褶皺，然后受拉側拉應力達到木材順紋抗拉強度，木材被拉斷，屬于彎曲拉壓破壞。

3.2 試驗數據

3.2.1極限承載力與橫向撓度

表2給出全部試件的極限荷載和最大橫向撓度。

將表2中KZ3(空心柱第3組)和SZ(實心柱)的極限荷載比較見表3，可知同面積、偏心率相等的空心柱相比于實心柱，其承載力平均提高了20.02%。

3.2.2荷載-位移曲線

根據試驗測得的荷載和1/2柱高處的橫向撓度值，繪制部分試件的荷載-橫向撓度曲線如圖5所示。由圖可知，軸心受壓空心柱(KZ1-1)極限荷載下橫向撓度很小(僅2.65 mm)。相同荷載下，偏心受壓空心柱的橫向位移明顯小于實心柱，即偏心受壓空心柱抗側移剛度明顯大于實心柱。偏壓空心柱的荷載-橫向撓度曲線可分為兩段：在荷載上升段，荷載-撓度基本呈線性增加；達到極限荷載(最大荷載)后，荷載-撓度曲線有較長的下降段，構件承載力下降但變形繼續(xù)增加，表明空心柱具有一定的塑性變形能力。偏心受壓實心柱在加載初期，荷載-撓度曲線呈線性變化，在接近及達到最大荷載時試件發(fā)生一些塑性變形，相比空心柱荷載-撓度曲線下降段不明顯。

表2 極限荷載及橫向撓度試驗結果Table2 Thetestresultsofultimateloadandlateraldeflection試件編號偏心距/mm極限荷載/kN最大橫向撓度/mmKZ1-10.0376.1213.03KZ1-20.0442.1627.89KZ1-30.0443.3769.81KZ2-137.5218.4789.29KZ2-237.5229.6353.00KZ2-337.5276.0388.62KZ3-175.0163.3550.07KZ3-275.0169.1842.16KZ3-375.0168.8760.85SZ-160.0135.1558.12SZ-260.0136.9782.57SZ-360.0145.9873.81

表3 承載力對比Table3 BearingcapacitycomparisonSZ極限荷載/kNKZ3極限荷載值/kN承載力提升率/%平均值/%135.15163.3520.87136.97168.8723.2920.02145.98169.1815.89

圖5 荷載-1/2柱高橫向撓度曲線

3.2.3荷載-應變曲線

試驗中，在試件1/2柱高處沿截面高度方向粘貼有5個應變片1～5，用來測量在加載過程中不同截面高度處的應變變化，其中1和5分別處于受壓側和受拉側邊緣。根據測量數據，得到不同荷載時截面高度-應變關系曲線(見圖6)。其中，拉應變?yōu)檎?、壓應變?yōu)樨撝怠?/p>

由圖6可知，軸心受壓空心柱[圖6(a)]在荷載較小時，截面基本均勻受壓，隨荷載增大截面各測點的應變值不等，這主要是由于木材為非勻質材料所致。對于偏心受壓空心柱[圖6(b～d)]，在加載初期截面應變按平截面變化，受力處于彈性階段；隨荷載增大受壓側逐步發(fā)生塑性應變，而受拉側的應變仍是彈性應變，這與受壓側木材屈服發(fā)生褶皺的試驗現象相符合。對于偏心受壓實心柱[圖6(e)、(f)]，在加載初期截面應變也是按平截面變化，受力處于彈性階段；在接近極限荷載時，截面受壓側與受拉側均發(fā)生塑性應變。

(a)KZ1-1

4 結論

本文通過軸心受壓、偏心受壓膠合木空心截面柱及偏心受壓實心截面柱的承載力模型試驗，可初步得到以下結論：

a.軸心受壓的空心截面柱極限荷載下中部產生豎向裂縫，為橫紋受拉破壞。偏心受壓空心截面柱隨荷載增大，首先受壓側木材屈服出現褶皺、然后柱子中部側面出現豎向裂縫，最終被壓潰。實心截面柱隨偏壓荷載增大，首先受壓側木材屈服出現褶皺，然后受拉側開裂、木材被拉斷，發(fā)生彎曲拉壓破壞。

b.同面積、偏心率相等的空心柱相比實心柱，其承載力平均提高了20.02%；并且偏心受壓空心柱抗側移剛度明顯大于實心柱。

c.偏心受壓空心柱在荷載上升段，荷載-橫向撓度曲線基本按線性變化；達到極限荷載(最大荷載)后，荷載-撓度曲線有較長的下降段，構件承載力下降但變形繼續(xù)增加，表明空心柱具有一定的塑性變形能力。

d.偏心受壓空心柱和實心柱在加載初期截面應變均按平截面變化，受力處于彈性階段。隨荷載增大直至最大承載力，空心柱受壓側逐步發(fā)生塑性應變，而受拉側的應變仍保持彈性應變；實心柱在接近極限荷載時，截面受壓側與受拉側均發(fā)生塑性應變。