竹-短木組合梁受彎性能試驗研究

郎健珂，陳 強，2，王解軍

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410004；2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000）

隨著人們生態(tài)環(huán)保意識的增強，木材作為建筑材料中可再生的綠色建材，重新回到人們的視野中。近年來，一些學(xué)者開始對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-6]對層板膠合木梁、旋切板膠合木梁以及不同截面形式的木梁進(jìn)行了抗彎性能試驗和數(shù)值模擬，分析了影響木梁結(jié)構(gòu)性能的各種因素。文獻(xiàn)[7-8]對帶有不同深度縱向干縮裂縫的木梁進(jìn)行了三分點加載試驗和數(shù)值模擬，當(dāng)裂縫接近木梁上下表面時，越不容易發(fā)生剪切破壞，對承載力影響越小。文獻(xiàn)[9]研究了帶槽口木梁的力學(xué)性能，分析了剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力對應(yīng)變的影響。竹材具有良好的力學(xué)性能，文獻(xiàn)[10-12]分析了竹木組合工字梁的抗彎性能，進(jìn)一步研究了腹板開孔梁的破壞機(jī)理。文獻(xiàn)[13-16]對竹木組合矩形梁進(jìn)行了研究，粘貼FRP和竹板后的木梁抗彎承載力有顯著提高。以上研究主要針對完整的大尺寸木梁試件，但大尺寸木材生長時間長，價格昂貴，且木材加工過程中切除剩余的小尺寸短木往往得不到利用。

為改善木材利用率不足、成本昂貴的問題，本研究提出一種新型的竹-短木組合梁，以零碎的小尺寸實木拼合，粘結(jié)竹集成材而成。然后對竹-短木組合梁進(jìn)行了受彎性能試驗，并根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的結(jié)論和建議。

1 研究方法

1.1 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了3 組共9 根竹-短木組合梁，規(guī)格為90 mm×135 mm×2 000 mm，編號分別為A1～A3、C1～C3 和D1～D3，其中A1～A3 為木梁對比試件，C1～C3 為直拼方式的竹-短木組合梁（SBT），D1～D3 為搭接方式的竹-短木組合梁（OBT）。竹-短木組合梁由若干個小尺寸實木拼合，并在梁下表面粘貼1 層厚度為5 mm 的竹集成材。首先將短木與短木、短木與竹集成材之間的接觸面刨平，保證拼合后無肉眼可見縫隙，用酒精或丙酮清洗干凈，采用雙面涂膠，然后用重物均勻靜壓，以木工夾具臨時固定，以防木梁和竹片產(chǎn)生相對滑移。最后在室溫20 ℃左右加壓48 h，干燥養(yǎng)護(hù)5 d。試件具體尺寸及特征見圖1。

圖1 試件特征及尺寸Fig.1 Details of test specimens

1.2 試驗材料

試驗選用樟子松，為測得木材的抗壓強度，制作了4 組共20 個受壓試件，試件具體參數(shù)見表1。

表1 木材受壓試件尺寸Table1 Timber compression test specimens

試件在液壓萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗過程和試件破壞特征如圖2和圖3所示。

木材抗壓試驗結(jié)果表明，木材的順紋平均彈性模量為7 254 MPa，平均抗壓強度為24.22 MPa。

竹集成材產(chǎn)自湖南益陽桃花江竹業(yè)有限公司，由4～6年生的毛竹加工而成，規(guī)格為5 mm× 90 mm×2 000 mm，試驗測得密度為820 kg/m3，含水率為10.7%，彈性模量為10 150 MPa。試驗采用AB 型環(huán)氧樹脂膠，特點為強度高，固化時間短，環(huán)境危害小。

1.3 加載裝置與測點布置

為記錄試件在加載過程中的豎向位移和應(yīng)變情況，在兩端處頂面、加載點下方、跨中位置共布置5 個位移計，在梁跨中截面、頂面和底面共布置22個應(yīng)變片。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH3818 靜態(tài)應(yīng)變測試儀，豎向荷載經(jīng)過連接荷載傳感器的分配梁傳遞至試件。加載方式采用三分點加載，正式加載前對試件進(jìn)行預(yù)加載，試驗加載裝置見圖4。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

圖2 木材受壓試驗Fig.2 Compression test of timber specimens

圖3 木材破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of timber compression test specimens

對比試件A1～A3 為木梁，當(dāng)豎向荷載增至極限荷載的40%～50%時，受拉區(qū)木節(jié)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，開始出現(xiàn)裂縫，并沿45°方向延展。隨著荷載的增加，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，最后導(dǎo)致試件受拉區(qū)木纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變，發(fā)生受拉破壞。

C1～C3 為SBT，加載初期出現(xiàn)細(xì)微的響聲，短木接觸面存在縫隙，受拉區(qū)接觸面出現(xiàn)裂紋。當(dāng)接近極限荷載時，由于變形過大，受拉區(qū)短木接觸面出現(xiàn)剝離，拉應(yīng)力由短木和竹集成材共同承擔(dān)轉(zhuǎn)化為僅由竹集成材承擔(dān)，木材強度未能完全發(fā)揮，最后，竹集成材在加載點下方短木接觸面位置發(fā)生剪切破壞。

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test setup

D1～D3 為OBT，當(dāng)豎向荷載增至50%極限荷載時，加載點處接縫有一定程度擴(kuò)展，可聽到裂開的聲音。荷載增至極限荷載的80%時，試件整體豎向變形過大，導(dǎo)致加載點下方受拉區(qū)接縫剝離，跨中接縫在中性軸附近沿45°方向出現(xiàn)裂紋，受壓區(qū)木纖維達(dá)到屈服壓應(yīng)變。最終由于竹集成材達(dá)到極限拉應(yīng)變，試件發(fā)生受拉破壞。

試件典型破壞形式如圖5所示。

2.2 試驗結(jié)果

表2給出了主要的試驗結(jié)果，包括極限荷載Pu，跨中撓度Δu，抗彎剛度EI。其中，抗彎彈性模量E計算公式如下：

式（1）中，E為抗彎彈性模量，L為梁的跨度，a為梁截面高度，ΔF為荷載增量，Δe為ΔF作用下梁所產(chǎn)生的中點撓度，b為梁截面寬度。

由表2可知，C2 試件極限承載力較低，是因為試件加工制作過程中接觸面不平整，使得加載過程中短木與短木之間發(fā)生滑移現(xiàn)象，剪切應(yīng)力導(dǎo)致整體試件過早破壞。對于跨中受拉區(qū)有明顯木節(jié)的試件，SBT 相比木梁，受彎承載力降低了21.7%，剛度降低了15.0%，跨中撓度降低了10.5%，OBT 相比木梁，受彎承載力提高了4.3%，剛度降低了15.4%，跨中撓度提高了38.0%；對于跨中受拉區(qū)無明顯木節(jié)的試件，SBT相比木梁，受彎承載力降低了25.0%，剛度降低了11.5%，跨中撓度降低了21.9%，OBT 相比木梁，受彎承載力增加了0.3%，剛度降低了13.3%，跨中撓度增加了23.5%。其中，OBT 試件的受彎承載力是SBT 試件的1.35 倍，說明搭接方式的效果較好，破壞臨界值更高。

表2 主要試驗結(jié)果Table2 Main test results

2.3 荷載-跨中撓度曲線

試驗過程中對各個試件的跨中撓度進(jìn)行了測試。在0～20%極限荷載階段，荷載-撓度呈線性變化；隨著荷載的增加，SBT 和OBT 試件曲線斜率均發(fā)生一定程度的減小，其中D2 試件下降幅度最快，較早的發(fā)生了破壞，說明受拉區(qū)邊緣木節(jié)對試件強度有所影響，導(dǎo)致抗彎剛度降低，極限承載力下降顯著。達(dá)到80%極限荷載時，曲線增長均有所緩和，進(jìn)入彈塑性階段，隨后很快發(fā)生破壞，破壞具有突發(fā)性，為脆性破壞。當(dāng)卸載后，各個試件變形均有一定程度的回彈，但仍然存在殘余變形。荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。

圖6 荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-displacement curves of mid-span

2.4 應(yīng)變變化情況

從3 組試件中分別選取典型試件以驗證平截面假定，如圖7所示。

圖7 跨中截面沿高度應(yīng)變變化圖像Fig.7 Strain profile at mid-span cross-section

可以看到，在彈性階段，應(yīng)變沿跨中截面高度呈線性變化，說明試件均滿足平截面假定。C3和D3 試件中性軸有明顯下移，大部分拉應(yīng)力由梁底部的竹集成材提供。C3 試件破壞時，跨中截面未發(fā)生破壞，破壞主要集中在荷載加載點附近的接縫處，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力將竹集成材剪壞。D3 試件隨著荷載的增加，梁側(cè)拉應(yīng)變有減小的趨勢，最終破壞時，跨中最大拉應(yīng)變超過了9 000 με，達(dá)到了竹集成材破壞時的極限拉應(yīng)變，跨中最大壓應(yīng)變接近6 000 με，達(dá)到了木材的屈服壓應(yīng)變，和試件頂部出現(xiàn)壓屈褶皺現(xiàn)象相吻合。

3 理論分析

3.1 位移延性

結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)的承載能力無明顯降低，屈服后發(fā)生非彈性變形的能力，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)剛度降低，變形增大，有較好的耐受變形能力。延性大小通過延性系數(shù)體現(xiàn)，梁的位移延性系數(shù)μΔ為：

式（2）中，Δu為極限狀態(tài)下的位移，Δy為屈服狀態(tài)下的位移。

結(jié)果表明，SBT 相比木梁，延性提高了2.4%～24.8%，OBT 相比木梁，延性提高了7.3%～28.2%。搭接方式的組合梁能夠有效抵抗局部失穩(wěn)，相比直拼方式的組合梁延性略有提高（圖8）。

圖8 延性Fig.8 Ductility

3.2 受彎承載力計算

竹-短木組合梁受彎承載力計算采用下述假定：

1）木材和竹集成材均為理想彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系；2）短木與竹集成材面板連接可靠，相對滑移較小，可以忽略不計；3）組合梁的截面變形符合平截面假定；4）不考慮受拉區(qū)木材參與工作。

試件在加載過程中破壞形態(tài)基本表現(xiàn)為受拉破壞，圖9為竹-短木組合梁截面計算簡圖。

圖9 竹-短木組合梁截面計算簡圖Fig.9 Equivalent calculation diagram of bamboo-timber composite beam

由內(nèi)力和力矩的平衡條件可得：

式（3）中，h為木梁截面高度，ht為木梁受拉區(qū)高度，hb為竹集成材厚度，b為梁截面寬度，σc為木梁頂部壓應(yīng)力，σt為木梁底部拉應(yīng)力，σb為竹集成材拉應(yīng)力，Mu為竹-短木組合梁截面彎矩設(shè)計值。

由材料參數(shù)實測值，根據(jù)式（4）計算跨中截面彎矩值，并將其與試驗值進(jìn)行對比，如表3所示，K為平均值。對于跨中受拉區(qū)有明顯木節(jié)試件，考慮天然缺陷及干燥缺陷影響，結(jié)果取0.65 的折減系數(shù)。

表3 受彎承載力計算值與試驗值對比?Table3 Comparison of theory value and test value of bending capacity

由表3可知，竹-短木組合梁受彎承載力理論值與試驗值誤差不超過10%，平均誤差控制在10%以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為該受彎承載力計算公式是合理可行的。

4 結(jié)論與討論

本研究通過9根竹-短木組合梁受彎性能試驗，得出了組合梁試件的荷載撓度關(guān)系、跨中截面沿高度應(yīng)變變化情況以及荷載應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)試驗結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）竹-短木組合梁受彎試驗為脆性破壞，主要破壞形態(tài)為梁底部受拉破壞，OBT 試件延性最高，受拉區(qū)木節(jié)對受彎承載力有較大影響。

2）SBT 試件對比木梁，受彎承載力平均降低23.9%，剛度平均降低12.7%，同時跨中極限撓度平均降低18.1%；OBT 試件對比木梁，受彎承載力平均提高1.6%，剛度平均降低14.0%，同時跨中極限撓度平均提高28.3%；竹-短木組合梁力學(xué)性能可以媲美木梁。

3）竹-短木組合梁受彎試件截面沿高度應(yīng)變情況均符合平截面假定，竹集成材最大拉應(yīng)變超過9 000 με，抗拉強度得到充分發(fā)揮。

4）提出了竹-短木組合梁受彎承載力計算簡式，計算結(jié)果誤差較小。

竹材是一種綠色建筑材料，具有可再生特性，且性價比高，將竹-短木組合梁替代木梁應(yīng)用于工程中，可以有效降低成本。但本研究局限性在于試件數(shù)目較少，竹集成材厚度對強度的影響尚需進(jìn)一步研究。