重組竹板增強膠合木梁研究

陳冠華 劉 琦 曾憲沂 周啟哲 洪浩凱 劉方舟

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

影響工程建設中結構可靠性的重要因素即為工程材料，在我國，目前使用量最多的工程材料是鋼筋混凝土，但其自重較大、不可再生、重復利用率低。而木材是一種可再生材料，具有自重較輕、綠色環保、制作工藝簡單等優勢。此外，層板膠合木材料克服了木材尺寸限制和利用率等問題，目前已被廣泛應用于木結構中［1，2］。受木材天然缺陷的限制，普通膠合木梁發生彎曲破壞時受壓區基本不能達到木材的極限壓應力，木材的抗壓強度得不到充分利用。長期以來，國內外學者不斷探索普通膠合木梁的增強方法，以提高其整體受彎性能［3］。竹材來源廣泛，制作工藝簡單。使用小徑級竹材纖維壓制而成的重組竹板，材料利用率較高、材質均勻、抗拉性能優越［4］，所以利用含有天然纖維的竹材對普通膠合梁進行增強是一種低碳環保、切實可行的方法。綜上所述，將一定層板數量的重組竹板膠結在膠合木梁底部受拉區，將會顯著改善膠合木梁底部受拉區的應力狀態，從而達到充分發揮木材抗壓強度，提高梁整體受彎性能的目的。

1 國內外膠合木梁增強方法的研究現狀

與普通膠合木梁相比，增強后膠合木梁的性能有了較大的改善。國內外學者通過試驗，分別對用不同材料增強的膠合木梁進行了研究，并對梁極限承載力、抗彎性能及增強后的裂縫開展和截面破壞形態等方面進行了分析。楊會峰等［5］以楊木為原材料，對9 組共18 根FRP 增強膠合木梁進行了抗彎性能試驗研究，通過分析試驗構件的破壞形式和破壞機理，對比未增強膠合木梁與增強后梁的抗彎剛度與極限承載力等參數，得出增強后楊木膠合木梁的受彎承載力能達到松木實木構件的1.82 倍，充分利用了膠合木梁受壓區部分木材的抗壓強度，延緩了普通膠合木梁的受拉脆性破壞，提高了普通膠合木構件的延性。陸偉東等［6］采用豎嵌CFRP 板條層板增強膠合木梁。結果表明，與未增強的膠合木梁相比，增強后試件的極限承載力和最大位移均有明顯提高;膠合木梁受壓區木材的抗壓強度隨著CFRP 板配筋率的增大而增大;降低了膠合木梁受拉區木材缺陷的影響，從而顯著提高了膠合木梁的延性性能。Camille A.Issa 等［7］對普通膠合木梁進行了鋼板加固和碳纖維加固，并將這兩種加固后的梁與普通膠合木梁進行對比試驗。結果表明，利用鋼板和碳纖維加固后，梁的極限承載能力有了顯著的提高，破壞形態也由脆性破壞變為延性破壞。左宏亮等［8］通過對在普通膠合木梁上粘貼不同層數玄武巖纖維復合材料的受彎試驗，研究得出玄武巖纖維復合材料的存在使增強后膠合木梁的受彎性能有了顯著的增強效果。當玄武巖纖維復合材料配量適中時，膠合木梁頂部受壓區木層板出現屈曲褶皺，構件表現出明顯的塑性破壞特征，最終受拉區的層板被拉斷導致破壞。

綜上所述可知，以適當的方式在普通膠合木梁底部粘貼一定數量抗拉性能較好的材料后，可以顯著提高普通膠合木梁的極限承載力，彌補普通膠合木梁的缺陷，較大程度上發揮木材的抗壓強度，從而提高了整個梁的抗彎性能。可以看出，目前對膠合木梁增強的方法中，采用纖維材料的增強方法居多。雖然纖維材料輕質高強、耐腐蝕性能好、可設計性好、抗拉強度高，但是它長期耐溫性差、易發生老化現象、不環保。

張俊珍等［9］以用慈竹制作的重組竹為研究對象，對比了重組竹與落葉松等木材的力學性能。結果表明，與落葉松等木材相比，重組竹材的順紋抗拉強度和順紋抗壓強度值均較高、穩定性能好、順紋和橫紋的抗變形能力差別更小、表現出較好的延性。陳國等［10］關于膠合竹木工字梁受彎性能的試驗研究結果表明，竹材和木材作為兩種物理力學性能相近的材料，可以互相結合共同工作并滿足提高承載力的要求。通過對各種文獻資料的研究分析得知，以重組竹板作為受拉區對普通膠合木梁進行增強是切實可行的。所以，利用以楠竹為原材料的重組竹板作為受拉區，以東北落葉松為原材料的木材作為受壓區，提出一種重組竹板增強膠合木梁的實驗思路。

2 重組竹板增強膠合木梁的研究方案

參考借鑒相關文獻和資料，設計如下試驗方案:通過對重組竹板增強膠合木梁和普通膠合木梁極限承載力、破壞形態、延性性能和經濟效益等試驗結果進行分析，研究重組竹板的增強作用和重組竹板層板數量變化對普通膠合木梁受彎性能的影響，并確定最佳重組竹層板數量。

2.1 木材和竹材抗拉強度試驗

加工18 個重組竹材抗拉試件和18 個膠合木材抗拉試件，如圖1 所示。在萬能試驗機上進行拉伸試驗，得到木材和竹材的抗拉彈性模量和抗拉強度。

圖1 抗拉試件加工圖（單位：mm）

2.2 木材和竹材抗壓強度試驗

根據文獻［11］，可加工18 個重組竹材棱柱體試件和18 個膠合木材棱柱體試件，如圖2 所示，在萬能試驗機上進行受壓試驗，得到木材和竹材的抗壓彈性模量和抗壓強度。

圖2 抗壓試件加工圖（單位：mm）

2.3 重組竹板增強膠合木梁受彎試驗

制作4 組(每組3 根)受彎構件進行試驗，所有構件的尺寸均為2 850 mm×50 mm×150 mm(l×b×h)，層板厚度為25 mm，層數為6 層。其中有1 組普通膠合木梁作為試驗對照，其余3 組均為重組竹板增強膠合木梁，分別由1 層、2 層、3 層重組竹材和5 層、4 層、3 層東北落葉松膠合而成，如圖3 所示。

圖3 膠合木梁試件加工圖（單位：mm）

根據GB/T 50329—2012 木結構試驗方法標準中的規定，本實驗采用兩點對稱的加載方式進行加載，利用千斤頂施加豎向荷載，應變片、位移計和靜態電阻應變測試系統對膠合木梁的各測點應變、撓度和豎向荷載進行量測，加載設備和量測裝置見圖4。

圖4 加載設備和量測裝置示意圖

2.4 試驗現象與數據分析

通過以上試驗，觀察重組竹板增強膠合木梁的破壞現象和破壞形態，記錄極限承載力、撓度、應變等參數。分析對比不同重組竹層板數量下重組竹板增強膠合木梁的極限承載力、破壞形態、荷載位移曲線以及荷載應變曲線等試驗結果，得出相應增強后膠合木梁的承載力提高幅度，以及重組竹板用量對普通膠合木梁受彎性能的影響，并結合成本造價，綜合考慮得出最優竹板層數。

3 結語

1)重組竹材與木材相比順紋抗拉和抗壓強度高，穩定性能好，有出色的延性和變形能力，環保耐磨損。竹材和木材物理力學性能相近，可以互相結合共同工作。采用重組竹板作為受拉材料用于普通膠合木梁底部受拉區切實可行。

2)根據重組竹的優越性能，提出了一種重組竹板增強膠合木梁，并借鑒國內外關于增強膠合木梁試驗的研究方法，針對這種新型膠合木梁的性能和影響因素等方面的研究進行了試驗方案設計。

3)在普通膠合木梁底部受拉區粘貼重組竹材料能夠使梁的承載力顯著提高，充分發揮受壓區木材的抗壓強度和受拉區重組竹的抗拉強度，提高梁的延性性能，彌補受拉區木材缺陷等問題帶來的影響，有利于梁抗彎性能的提高。

［1］樊承謀，王永維，潘景龍.木結構［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］樊承謀.木結構基本原理［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］劉 洋，劉文金.膠合木結構建筑初探［J］.家具與室內裝飾，2009(4):64-65.

［4］魏 洋，蔣身學，呂清芳，等.新型竹梁抗彎性能試驗研究［J］.建筑結構，2010(1):88-91.

［5］楊會峰，劉偉慶.FRP 增強膠合木梁的受彎性能研究［J］.建筑結構學報，2007(1):64-71.

［6］陸偉東，劉偉慶，耿啟凡，等.豎嵌CFRP 板條層板增強的膠合木梁受彎性能研究［J］.建筑結構學報，2014(8):151-157.

［7］Camille A.Issa，Ziad Kmeid.Advanced wood engineering:glulam beams［J］.Original Research Article Construction and Building Materials，2005，19(2):99-106.

［8］左宏亮，卜大偉，郭 楠，等.玄武巖纖維復合材料對膠合木梁受彎性能的影響［J］.東北林業大學學報，2015(4):91-95.

［9］張俊珍，任海青，鐘 永，等.重組竹抗壓與抗拉力學性能的分析［J］.南京林業大學學報(自然科學版)，2012(4):107-111.

［10］陳 國，張齊生，黃東升，等.膠合竹木工字梁受彎性能的試驗研究［J］.湖南大學學報(自然科學版)，2015(5):72-79.

［11］左宏亮，王東岳.預應力膠合木梁受壓區層板膠合木受壓性能試驗［J］.東北林業大學學報，2014，42(6):90-94，107.