鋼板加固小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力研究

鄒艷花ZOU Yan-hua；劉陳誠(chéng)LIU Chen-cheng

（①湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，湘潭 411101；②中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

木材是一種負(fù)碳、節(jié)能、可再生的天然無污染材料[1]。膠合木作為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)最常用工程木產(chǎn)品，在原木的基礎(chǔ)上更加美觀舒適、結(jié)構(gòu)均勻，符合綠色建筑發(fā)展理念[2]，且膠合木可進(jìn)行生產(chǎn)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、施工裝配化，有利于裝配式建筑的發(fā)展[3]。因此，膠合木在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4-5]。膠合木雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但由其制作的結(jié)構(gòu)構(gòu)件如膠合木梁也存在抗彎承載力不夠或易產(chǎn)生脆性破壞等問題，其主要是由于膠合木梁抗剪強(qiáng)度較低。因此，為降低剪切變形影響，眾多學(xué)者[10]對(duì)增強(qiáng)加固膠合木梁進(jìn)行了研究，其主要增強(qiáng)材料有CFRP板、BFRP板、螺釘和預(yù)應(yīng)力筋等，但增強(qiáng)方式有所不同。課題組也采用底部粘貼鋼板對(duì)小跨高比膠合木梁進(jìn)行了增強(qiáng)加固研究，結(jié)果表明梁底粘貼鋼板近能小幅度的提高膠合木梁的抗彎性能，但提高程度不理想[11]。雖效果不佳，但有一定的提高。因此，梁底部粘貼鋼板作為一種最簡(jiǎn)單且易施工的加固方式，對(duì)其承載力進(jìn)行研究也具有一定的意義。本文結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，對(duì)鋼板加固小跨高比落葉松膠合木梁的抗彎性能及抗彎極限承載力的計(jì)算進(jìn)行了研究。

1 前期試驗(yàn)

課題組前期根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50329-2012）[12]中的相關(guān)規(guī)定，以東北落葉松為原材料，鋼板為加固材料，制作了9根3組小跨高比膠合木梁試件，其中3根為底板粘貼鋼板小跨高比膠合木梁，該3根試件的尺寸及跨高比如表1所示。各試件均由10塊厚為30mm的落葉松鋸材膠壓而成，通過試驗(yàn)測(cè)得其力學(xué)性能如表示2所示。試件底部所粘鋼板為Q235級(jí)鋼，其屈服強(qiáng)度為235MPa、彈性模量為2.1×105MPa，鋼板長(zhǎng)l×寬b×厚t為4000mm×100mm×2mm。

1.1 試驗(yàn)參數(shù)（表1、表2）

表1 試件尺寸及跨高比

表2 膠合木力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

3根鋼板加固小跨高比落葉松膠合木梁試件試驗(yàn)過程中，破壞過程基本相同。加載初期，試件處彈性受力狀態(tài)。隨著荷載增大，木梁發(fā)出輕微響聲；荷載繼續(xù)逐級(jí)增加，試件兩端支座及其附近慢慢出現(xiàn)多條縱向裂縫。繼續(xù)加載，支座附近裂縫發(fā)展并不太明顯。三根試件分別加載至108kN、110kN、118kN持荷時(shí)，一聲巨響，試件被一條縱向裂縫一分為二，兩者錯(cuò)開1～2mm，但鋼板依舊粘貼良好，分配梁支座鋼板下方木纖維出現(xiàn)局部褶皺現(xiàn)象，試件破壞形態(tài)如圖1所示。

根據(jù)試驗(yàn)可知，小跨高比膠合木梁受彎時(shí)，由于梁內(nèi)剪應(yīng)力較大，木梁抗剪能力不足，因此易出現(xiàn)較多抗剪裂縫。木梁底邊粘貼鋼板，可一定程度上提高試件抗拉能力，但效果不佳，仍屬于順紋受剪破壞。

2 極限承載力分析

2.1 極限承載力計(jì)算公式推導(dǎo)

假定：①木梁截面應(yīng)變分布符合平截面假定；②木梁受拉和受壓的彈性模量相同；③不考慮鋼板與木材之間粘鋼膠的厚度；④層板間黏結(jié)完好，無相對(duì)滑移；⑤木材的順紋本構(gòu)關(guān)系采用Bazan提出的雙折線拉壓本構(gòu)模型[13]，如圖2所示。圖中σtu、σcu分別為木材的極限拉應(yīng)力及極限壓應(yīng)力；εtu、εcu分別為木材的極限拉應(yīng)變及極限壓應(yīng)變；σce、εce分別為木材彈性壓應(yīng)力及彈性壓應(yīng)變；Et為木材彈性模量；m（m≤0）為材本構(gòu)關(guān)系曲線中受壓區(qū)下降段斜率與彈性模量E的比值。

木梁發(fā)生順紋剪切破壞，采用極限應(yīng)變分析方法，則木梁截面理論分析模型如圖3所示。圖中σt、εt分別為木梁破壞時(shí)，其下邊緣所受拉應(yīng)力、拉應(yīng)變；hce、hcp、ht分別為木梁彈性受壓區(qū)高度、塑性受壓區(qū)高度及木梁受拉區(qū)高度；Fce、Fcp、Ft分別為木梁彈性受壓區(qū)合力、塑性受壓區(qū)合力及木梁受拉區(qū)合力；Fs為鋼板所受拉力。

由靜力關(guān)系得：

設(shè)合力Fcp距中心軸的距離為x：

整理可得：

則分析鋼板增強(qiáng)小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力時(shí)，取

對(duì)截面處鋼板合力點(diǎn)即梁底取距，可得鋼板增強(qiáng)小跨高比膠合木梁所能承擔(dān)的極限彎矩為：

則底部粘貼鋼梁在三分點(diǎn)受彎作用時(shí)所能承受的極限荷載為：

2.2 試驗(yàn)值與理論值對(duì)比分析

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[14]及文獻(xiàn)[15]落葉松木材的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

Et=16900MPa，彈性模量調(diào)整系數(shù)為0.8，m=-0.25，εce=2.5×10-3，εcu=10×10-3，εtu=8.0×10-3，Es=2.1×105MPa，t=2mm，l0=3600mm。

按公式（1）～（15）計(jì)算出鋼板增強(qiáng)小跨高比膠合木梁的極限承載力，結(jié)合試驗(yàn)值得表3所示。由表3可知，理論極限承載力理論值與實(shí)測(cè)值最大誤差為10.8%，平均誤差為5.2%，且理論值較實(shí)測(cè)值偏于保守。因此，該極限承載力理論計(jì)算公式可為實(shí)際工程木梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù)。

表3 理論值與實(shí)測(cè)值極限承載力比較

3 結(jié)論

根據(jù)前期試驗(yàn)及理論分析，可得如下結(jié)論：①鋼板增強(qiáng)小跨高比膠合木梁受彎為順紋剪切脆性破壞；鋼板加固能對(duì)膠合木梁抗彎極限承載力略微有些提高，但由于底部粘貼鋼板對(duì)小跨高比膠合木梁抗剪能力影響不大，因此對(duì)其抗彎極限承載力的提高效果不理想。但由于梁底粘貼鋼板是最簡(jiǎn)便且易施工的一種已建膠合木梁加固方式，因此對(duì)其承載力的研究具有一定的意義。②基于極限應(yīng)變分析方法，提出了鋼板增強(qiáng)小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力計(jì)算公式。根據(jù)理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，認(rèn)為該公式較為合理，可為已建膠合木梁構(gòu)件的加固提供理論計(jì)算依據(jù)。