薄壁型鋼-重組竹組合工字形梁受剪性能研究

葛玉猛 李玉順 童科挺 張家亮

摘 要：本文提出組合效應更好的薄壁型鋼-重組竹組合工字形梁，薄壁型鋼-重組竹組合工字形梁是將冷彎薄壁型鋼與重組竹通過結構粘合劑或者結構粘合劑加自攻螺釘復合而成。以剪跨比、型鋼厚度、腹板厚度和腹板高度等為參數進行12根組合梁的受剪性能試驗，觀測組合梁破壞過程、變形特征和分析受剪承載力的影響因素，并提出組合梁受剪承載力計算公式。研究結果表明，薄壁型鋼-重組竹組合工字形梁整體工作性能良好，組合效應顯著，具有較高的受剪承載力;組合梁的受剪承載力主要受剪跨比影響，隨著剪跨比的增大其受剪承載力降低，當剪跨比較小時試件發生剪切破壞，隨著剪跨比的增大組合梁破壞形態由剪切破壞過渡到彎曲破壞;本文提出的組合梁受剪承載力計算公式所得結果與試驗結果之間吻合良好。

關鍵詞：重組竹;冷彎薄壁型鋼;組合工字形梁;剪跨比;受剪承載力

中圖分類號：TU758文獻標識碼：B文章編號：1006-8023（2018）06-0072-08

Study on Shear Behavior of Thin-Wall Steel-Recombinant Bamboo Composite Beams

GE Yumeng， LI Yushun*， TONG Keting， ZHANG Jialiang

（School of Architecture Engineering and Environment， Ningbo University， Ningbo 315211）

Abstract： In this paper， it is proposed that the combination effect is better for the thin-walled steel-recombined bamboo composite I-beam. The thin-walled steel-recombined bamboo composite I-beam is composed of the cold-formed thin-walled steel and the recombined bamboo through the structural adhesive or the structural adhesive with the self tapping screw. The shear behavior test of 12 composite beams was carried out with parameters of shear span ratio， profile steel thickness， web thickness， and web height as parameters. The failure process and deformation characteristics of composite beams are observed， and the influencing factors of shear capacity are analyzed. The calculation formula of shear capacity of composite beams is proposed. The results show that the thin-walled steel-reconstituted bamboo composite I-beam has good overall work performance， significant combined effect， and high shear bearing capacity; the shear bearing capacity of the composite beam is mainly affected by the shear-span ratio. When the ratio increases， the shear capacity decreases. When the shear span is relatively small， the specimen undergoes shear failure. With the increase of the shear span ratio， the composite beam failure mode transitions from shear failure to bending failure. The results produced by the calculation formula of shear capacity of composite beams which is proposed in this paper are in good agreement with the experimental results.

Keywords： Reconstituted bamboo; cold-formed thin-wall steel; I-shaped composite beam; shear-span ratio; shear capacity

0 引言

傳統房屋建筑的梁柱主要使用鋼筋混凝土結構，隨著生活質量的提高，現代人對建筑中的梁柱結構有了新的要求，例如，梁要美觀、輕質高強和綠色天然等。為了適應這一現狀，一些新型結構的研究逐漸開始，尤其是綠色的竹木材料與高強度的鋼材組合成工字形梁，最具推廣價值和實用價值。在我國使用竹木作為建筑材料的歷史非常悠久[1-2]，木材雖然也有質量輕和強度高的特點，但是近些年來我國木材供需矛盾不斷加劇，嚴重制約了我國新型建筑材料的發展;而國外對鋼結構的建筑形式也研究頗深[3]，目前國內的鋼材也處在產能過剩的狀態，在此基礎上，本文考慮將冷彎薄壁型鋼和重組竹組合為工字形梁。

（2）鋼板厚度。以試件L-9、L-10為例，試件中型鋼厚度為2.0 mm和1.5 mm，L-9比L-10承載力提高了30.43%，如圖10（a）所示。

（3）腹板截面高度。試件L-1、L-2腹板高度分別為120、140 mm，隨腹板截面高度增加其受剪承載力提高了16 kN，如圖10（b），所示。

（4）腹板重組竹厚度。組合梁L-8比L-7腹板重組竹厚度高出5 mm，試件破壞時，L-8所受荷載極限比L-7高出8 kN。

3 跨中撓度及截面承載力

3.1 跨中撓度

根據組合梁L-1 ～ L-12跨中變形達到容許撓度6.4 mm時所對應加載的荷載P，再將P代入簡支梁撓度計算式（1）計算理論容許撓度，計算公式由本文作者參考文獻[18-19]提出，結果見表4。

式中：a為集中力作用點至近端支座距離;l為組合梁跨度;βb為鋼-竹組合構件變形發展系數，當l ≤ 3.0 m時，βb取1.2;α = a/l。

分析表4中，數據，薄壁型鋼-重組竹組合工字形梁跨中的理論撓度與試驗撓度誤差較小，基本控制在11%以內，組合梁L-4、L-5、L-8、L-12試驗撓度曲線與計算所得理論撓度曲線對比（圖11），由圖11可知，組合梁理論容許撓度均大于試驗撓度值，在工程應用中屬于較安全。

3.2 受剪承載力

本文組合梁為工字型，主要由腹板承擔所受剪力，計算時將重組竹腹板兩側的薄壁型鋼考慮為加強重組竹腹板的抗剪能力（將薄壁型鋼腹板截面換算成等高度的重組竹截面），并引入以下假定：① 重組竹抗剪強度均勻;② 彈性體假定和平截面假定;③ 重組竹發生剪切破壞即表示組合梁被破壞。

根據參考文獻[20-22]，本文作者提出了組合工字形梁受剪承載力計算公式（2）和（3）。考慮剪跨比產生的影響，根據公式（2）和公式（3）分別計算出薄壁型鋼和重組竹的承載能力。受剪承載力公式：

式中：λ為剪跨比;fτ為重組竹順紋抗剪強度，fτ = 14.79MPa;ζ為組合梁翼緣對組合梁受剪承載力的影響，ζ = 1.04;In為薄壁型鋼的腹板截面慣性矩;Sn為 考慮薄壁型鋼的腹板截面面積，Sn = （bh2+2tsαhs2）/8;hs為薄壁型鋼腹板位置截面高度;bn為薄壁型鋼的腹板截面有效寬度，bn = b+2tsα;b、h為腹板位置重組竹厚度與高度;α為重組竹換算系數，α = Es/Ec;ts為腹板位置薄壁型鋼截面厚度。

重組竹截面剪力計算公式：

式中：Sc為腹板位置重組竹截面面積矩;Ic為腹板位置重組竹截面慣性矩。

分析表5中對比結果可知，組合梁斜截面受剪承載力試驗值與理論值誤差不超過11%。斜截面受剪承載力計算公式（2）考慮將薄壁型鋼腹板截面換算成等高度的重組竹截面，薄壁型鋼黏貼在腹板重組竹上，用以提高組合梁的抗剪性能，在工程應用中這種方法比較安全。

4 結論

（1）組合梁由薄壁型鋼和重組竹通過結構膠復合而成，整體性能突出，組合效應良好，加載過程中兩種材料連接狀況良好，發揮了各自良好的材料性能，有很大的發展前景和實用價值。

（2）本次試驗中組合梁受剪承載力隨剪跨比增大而減小;組合梁腹板位置的重組竹厚度和腹板處鋼材厚度增加能有效地提高其受剪承載力;翼緣位置重組竹和型鋼厚度變化基本不影響受剪承載力。

（3）組合梁破壞形態主要受剪跨比影響。當剪跨比λ≤2.0時，試件均出現了明顯的剪切破壞特征;剪跨比λ = 2.5時，組合梁破壞形態向彎曲破壞發展。

（4）本文所提出的組合梁撓度與斜截面受剪承載力計算公式較為合理。組合梁L-1 ～ L-12跨中撓度與受剪承載力試驗結果與理論計算值相近，誤差基本控制在11%以內。

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