木質(zhì)組合梁抗彎性能試驗研究

熊海貝，康加華，呂西林

（同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

輕型木結(jié)構(gòu)房屋中，木樓蓋主要由擱柵、橫撐和樓面板組成.擱柵一般有3種類型：實鋸木擱柵、平行弦桁架擱柵和工字型木擱柵.其中實鋸木擱柵為截面高度較大的規(guī)格材，擱柵之間的橫撐一般采用規(guī)格材，樓面板主要采用兩類木基結(jié)構(gòu)板，分別為定向木片板（OSB）和膠合板（Plywood）.通常在樓面板上還需鋪設(shè)約40mm厚輕質(zhì)混凝土或細(xì)石混凝土層以減小木樓蓋的振動.同時因防火要求，還需在擱柵底部覆上1層或2層石膏板.擱柵、橫撐和樓面板采用普通釘連接形成木樓蓋整體結(jié)構(gòu).典型的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)樓蓋構(gòu)造如圖1所示.

圖1 典型木樓蓋構(gòu)造Fig.1 Typical timber floor configurations

實際木樓蓋設(shè)計中，通常只考慮擱柵的抗彎作用，并按簡支梁對擱柵進行計算，樓面板的作用被認(rèn)為僅是將均布荷載平均分配到每根擱柵.單根擱柵除滿足承載力要求外，還必須滿足變形控制要求，我國《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50005—2003）規(guī)定木樓蓋中擱柵在豎向荷載作用下，跨中撓度限值為L／250，其中L為其計算跨度.北美等輕型木結(jié)構(gòu)房屋使用較為普遍的國家和地區(qū)對木樓蓋通常也采用此類設(shè)計方法.事實上，由于樓面板和擱柵之間釘連接節(jié)點的存在，此類木樓蓋在實際工作時，樓面板和擱柵之間存在組合作用，特別當(dāng)木基結(jié)構(gòu)板作為樓面板投入工程應(yīng)用以來，這種組合作用越發(fā)明顯［1］.國外相關(guān)木樓蓋試驗研究表明［2－4］：考慮樓面板與擱柵之間組合作用后，木樓蓋抗彎性能有顯著提高.

近年來，輕型木結(jié)構(gòu)房屋逐漸引入我國建筑市場，因此迫切需要開展木樓蓋力學(xué)性能的一些基礎(chǔ)性試驗和理論研究.本文主要論述試驗及得到的結(jié)論.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

采用簡化方法，以單根梁試件為研究對象，對木樓蓋中樓面板與擱柵的組合作用進行試驗研究.共設(shè)計42根梁試件，含3種截面形式：矩形截面梁（RB）、T型組合梁（CTB）、工字型組合梁（CIB），基本信息列于表1.圖2和圖3為木質(zhì)梁試件示意及截面構(gòu)造詳圖.制作試件采用的國產(chǎn)麻花釘長為82 mm，直徑為3.6mm.試驗參考了國內(nèi)和國外相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)［5－7］.

表1 試件基本信息Tab.1 Test specimen information

1.2 試件裝置

CTB試驗加載及儀器布置如圖4所示，RB和CIB試驗加載及儀器布置類似，試驗裝置中對梁設(shè)有側(cè)向支撐系統(tǒng).圖中，1?！?＃位移計主要用來記錄上翼緣與腹板之間的相對滑移，5＃，6＃位移計用來記錄支座處的豎向變形，7?！?＃位移計主要用來記錄梁的豎向變形（撓度）.沿腹板高度布置應(yīng)變片用來記錄純彎狀態(tài)下跨中腹板沿截面高度的應(yīng)變.跨中上翼緣處亦布置應(yīng)變片用于記錄翼緣的應(yīng)變.正式試驗前進行5次反復(fù)預(yù)加載，控制力為3kN，預(yù)加載過后，對梁進行連續(xù)加載，加載速率約為1.5 kN·min－1.圖5為試驗中的CTB.

圖4 CTB試驗加載及儀器布置示意圖（單位：mm）Fig.4 Test setup for CTB （unit：mm）

2 試驗主要結(jié)果及現(xiàn)象

本部分論述主要包括梁試件在達到規(guī)范允許撓度（L／250）時所能承受的彎矩，相等彎矩作用下梁的跨中撓度以及梁試件破壞模式.下文提及的相等彎矩值2.51kN·m，為根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》（DG／TJ 08－2059—2009）推薦的木樓蓋構(gòu)造形式按活荷載5kN·m－2計算得到.下文出現(xiàn)的CTBO／CIBO或CTBP／CIBP表示組合梁翼緣采用OSB／Plywood，Sn表示釘間距.

圖5 CTB加載試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 CTB test

2.1 試驗主要結(jié)果

木質(zhì)組合梁典型的跨中撓度—彎矩試驗結(jié)果及其擬合值（達到規(guī)范允許跨中撓度之前）如圖6所示（以Sn＝150mm的CTBO為例）.圖7和8是CTB和RB跨中撓度—彎矩擬合直線比較.擬合直線的斜率從意義上說為梁的整體表觀抗彎剛度，當(dāng)釘間距為150，100，75mm時，CTBO與RB相比，抗彎剛度提高幅度分別為13.27%，40.31%和57.73%；CTBP與RB相比，抗彎剛度提高幅度分別為8.23%，27.01%和34.78%.從試驗數(shù)據(jù)的對比可以看到CTB的抗彎剛度顯然要大于RB，且釘間距越小，CTB抗彎剛度越大，抗彎剛度的增幅與釘間距呈線性關(guān)系（圖9）.表2—5列出了本次試驗的RB，CTB和CIB在達到規(guī)范允許撓度時所承受的彎矩試驗值和相等跨中彎矩作用下梁試件對應(yīng)的跨中撓度試驗值.RB和CTB還以平均值形式給出了試驗結(jié)果，由于CIB不同構(gòu)造類型（釘間距不同）只進行單根對比試驗，故只給出單根試驗值的對比.從表2—4中可以看到，CTB在跨中達到規(guī)范允許撓度值時（L／250＝11.04mm）所能承受的彎矩較RB有明顯提高.當(dāng)釘間距為150，100，75mm 時，CTBO與RB相比，提高幅度分別為10.35%，37.68%和55.90%；CTBP與RB相比，提高幅度分別為6.83%，20.08%和31.88%.隨著連接上翼緣與腹板的釘間距減小，CTB抗彎承載力逐漸提高，提高幅度與釘間距呈線性關(guān)系（圖10）.從表5可以看到，若CTB腹板下再采用釘連接形式覆以下翼緣，則梁的承載力還將會進一步提高.當(dāng)釘間距為150，100，75 mm時，CIBO與CTBO相比，提高幅度分別為17%，22%和10%；CIBP與CTBP相比，提高幅度分別為10%，10%和11%.

圖10 彎矩增幅—Sn關(guān)系Fig.10 Bending resistance increment—Snrelationship

表2 CTBO相關(guān)彎矩及撓度試驗值Tab.2 Bending capacity and deflection of CTBO

表3 CTBP相關(guān)彎矩及撓度試驗值Tab.3 Bending capacity and deflection of CTBP

表4 RB相關(guān)彎矩及撓度試驗值Tab.4 Bending capacity and deflection of RB

表5 CTB與CIB彎矩及撓度試驗值Tab.5 Bending capacity and deflection of CTB and CIB

取跨中彎矩為2.51kN·m時的撓度進行比較（表2—4），CTB跨中撓度較RB有明顯削減，特別是當(dāng)上翼緣采用OSB且釘間距為75mm時，削減幅度達到41.3%.與RB相比，CTB在相等跨中彎矩下?lián)隙鹊南鳒p幅度與釘間距呈線性關(guān)系（圖11）.CIB與CTB相比（表5），在相等跨中彎矩下，撓度進一步減小，如當(dāng)翼緣采用OSB且釘間距為75mm時，削減幅度為11%.

圖11 撓度削減—Sn關(guān)系Fig.11 Deflection reduction—Snrelationship

由抗彎剛度、允許撓度對應(yīng)承載力以及相等彎矩值對應(yīng)撓度的分析可知，翼緣的存在有效提高了木質(zhì)組合梁的抗彎性能.

2.2 試驗現(xiàn)象

試驗觀測和數(shù)據(jù)記錄顯示木質(zhì)梁試件在破壞之前都可以產(chǎn)生較大變形，且破壞前腹板和翼緣都沒有顯見破壞發(fā)生，少數(shù)梁在破壞之前發(fā)出木材變形或擠壓的聲音.在達到規(guī)范允許跨中撓度值之前，梁試件跨中撓度與彎矩呈明顯線性關(guān)系（圖6—8、圖12），部分梁（共7根，表2—5中帶“＊”者）隨著跨中撓度增大逐漸表現(xiàn)出非線性特征，但多數(shù)梁在達到極限承載力之前非線性特征都不明顯（圖12）.

木質(zhì)梁試件一旦破壞承載力隨即喪失，破壞時發(fā)出巨大的木材斷裂或劈裂聲音，翼緣無明顯破壞發(fā)生.本次試驗中觀察到的梁試件破壞模式可分為4種：純彎段腹板彎曲破壞，沿腹板順紋方向劈裂破壞，彎剪區(qū)沿腹板截面高度剪壞，局部扭轉(zhuǎn)，分別如圖13—16所示.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 翼緣－腹板相對滑移分析

以Sn＝150mm的CTBO為例，圖17和18分別為距跨中1.2m和0.6m處的翼緣—腹板的相對滑移（以下分別簡稱“滑移1”和“滑移2”）與梁跨中撓度關(guān)系的試驗值及其擬合值.不同Sn的CTBO和CTBP翼緣－腹板相對滑移與梁跨中撓度關(guān)系擬合值比較見圖19—22.從圖19—22中可以看到，隨著連接上翼緣與腹板的釘間距減小，翼緣—腹板相對滑移值呈逐漸變小趨勢.規(guī)范允許跨中撓度對應(yīng)各根梁試件翼緣—腹板相對滑移試驗值及其平均值見表6和7.從表6和7中可以看到，在梁達到規(guī)范允許的跨中撓度時，上翼緣與腹板之間相對滑移水平比較低.上翼緣采用OSB，且釘間距為150mm時，滑移1值為0.76mm，滑移2值為0.29mm；上翼緣采用Plywood時，滑移1值為1mm，滑移2值為0.4mm.因此在達到規(guī)范允許跨中撓度之前，連接上翼緣與腹板的釘連接節(jié)點非常有效，具備傳遞翼緣與腹板之間組合作用的條件.圖23所示為典型的上翼緣在跨中處的應(yīng)變與跨中撓度關(guān)系（以Sn＝150 mm的CTBO為例），圖24和25為不同釘間距的CTBO和CTBP上翼緣在跨中處的應(yīng)變與跨中撓度擬合值的比較.可以看到，相同跨中撓度時上翼緣應(yīng)變隨著釘連接間距減小而逐漸增大.因為釘間距減小使上翼緣與腹板之間連接增強，彎矩作用下，相對滑移減小，組合作用增強，因此相同跨中撓度時上翼緣軸向應(yīng)變增大.

表6 CTBO翼緣—腹板相對滑移Tab.6 Relative slip between flange and web of CTBO mm

表7 CTBP翼緣—腹板相對滑移Tab.7 Relative slip between flange and web of CTBP mm

3.2 腹板沿截面高度應(yīng)變分析

CTBO與CTBP和RB在相同跨中彎矩作用下沿腹板截面高度的應(yīng)變比較分別示于圖26和圖27.

從圖中可以看到，相等跨中彎矩作用下，RB沿腹板高度的應(yīng)變較CTB要大，顯然此時RB較CTB的腹板所承受的彎矩要大，因此在CTB中必然有另外因素使其增加了抗彎能力，進而在其腹板應(yīng)變比較小的情況下達到與RB（腹板應(yīng)變較大）相等的抗彎承載力.從前述分析可知，上翼緣與腹板之間的釘連接具備傳遞翼緣與腹板之間組合作用的條件，且翼緣在梁試件受彎時有軸向應(yīng)變發(fā)生.由于CTB和CIB中上翼緣較薄，因此翼緣本身的抗彎能力幾乎可以忽略不計.因此可以推論得到，在彎矩作用下，CTB和CIB中翼緣的軸向力參與了梁的抗彎工作.

從試驗結(jié)果分析中可以看到，翼緣與腹板之間的組合作用的確明顯改善了木質(zhì)梁的抗彎性能.

4 結(jié)論

（1）木質(zhì)梁破壞前能產(chǎn)生較大的變形，但沒有顯見破壞發(fā)生，破壞主要有4種模式，即純彎段腹板彎曲破壞、沿腹板順紋方向劈裂破壞、彎剪區(qū)沿腹板截面高度剪壞和梁端部局部扭轉(zhuǎn).

（2）CTB翼緣與腹板之間相對滑移較?。ǎ? mm），且隨著釘間距的減小滑移值不斷變小，因此CTB受彎時，釘連接節(jié)點能有效地傳遞翼緣與腹板之間的組合作用.

（3）CTB與RB梁相比，剛度和承載力有明顯增加，且兩者都隨著釘間距減小逐漸增大.當(dāng)釘間距為75mm，CTBO較RB的剛度和承載力增幅分別為57.73%和55.90%，CTBP較RB的剛度和承載力增幅分別為34.78%和31.88%.

（4）CIB的受彎性能較CTB有進一步提高，相同釘間距條件下，剛度和承載力增幅都在10%以上.

（5）通過對試驗數(shù)據(jù)的分析可知，木結(jié)構(gòu)樓蓋中，樓面板與擱柵之間由于釘連接的有效性而存在著組合作用.因此可按組合梁理論來進行木樓蓋的設(shè)計，這樣可以適當(dāng)增大木樓蓋的設(shè)計跨度或荷載，達到更經(jīng)濟合理的設(shè)計目的.

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