蠕變對重組竹板增強膠合木梁長期受彎性能的影響1)

左宏亮 胡斌 劉翰然

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

現代木結構，因其綠色環保、低碳節能、紋理美觀等特點，在北美和歐洲已經具有很長的發展歷史[1-4]，而我國近年來也隨著速生林種植的推進、退耕還林及鼓勵木材進口等相應政策的實施，逐漸重視了對現代木結構的研究，既滿足了人們日益提升的生活水平要求，又響應了國家可持續發展的號召[5-7]。普通膠合木梁，作為木結構建筑中基本的梁構件，由于抗拉壓強度偏低、剛度小且受壓區木材抗壓強度未能充分利用等缺陷[8-9]，往往不能滿足設計使用要求。因此，本課題組此前提出了新型構件——重組竹板增強膠合木梁，并對其承載力等短期性能進行了試驗研究。但若想將此類構件應用于工程實踐中，還需要考慮作為木材基本特性之一的蠕變對梁長期受彎性能的影響。針對上述問題，本研究以置換率及加載比例為試驗條件，選取置換率為1/6、2/6的重組竹板增強膠合木梁，并設置普通膠合木梁為照組，進行為期90 d的長期加載試驗，分析置換率及加載比例對重組竹板增強膠合木梁長期撓度及蠕變變形的影響；并將長期試驗結束后所有試驗梁進行破壞加載試驗，與未進行長期試驗的試驗梁進行對比，分析蠕變對承載力、剛度的影響。旨在為木結構建筑中對梁構件的設計提供參考。

1 材料與方法

按照課題組前期試驗的試件制作經驗[9]和GB/T 50329—2012《木結構試驗方法標準》[10]中的相關規定，以云杉-松-冷杉(SPF)和重組竹為原材料，委托專業廠家制作18根試驗梁，其中普通膠合木梁(見圖1)、置換率為1/6(見圖2)和2/6(見圖3)的重組竹板增強膠合木梁各6根，試驗梁規格均為2 850 mm×150 mm×50 mm，規定木材的順紋方向為試驗梁的長度方向。

圖1 普通膠合木梁試件設計示意圖(圖中數據單位為mm)

圖2 置換率為1/6的重組竹板增強膠合木梁試件設計示意圖(圖中數據單位為mm)

圖3 置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁試件設計示意圖(圖中數據單位為mm)

為了計算長期試驗加載值，首先對試驗梁進行短期加載試驗，短期加載試驗采用三分點對稱逐級加載，直至試件破壞(見圖4、見表1)。

圖4 短期試驗加載裝置示意圖(圖中數據單位為mm)

表1 極限荷載測定組試驗梁

根據A組試驗梁短期加載試驗測得的極限承載力平均值及長期加載試驗中的不同加載比例，計算出長期試驗組B、C、D三組中每根試驗梁的長期加載值(見表2)。

表2 試驗梁的長期試驗分組及加載值

長期試驗梁跨中及兩端位移，由位移計通過JM3813靜態應變測試系統采集，采集時間間隔為每6 h一次。加載方式采用三分點對稱加載，即在梁兩三分點處懸掛重物(見圖5)，以保證加載值恒定，加載時間為90 d。

圖中數據單位為mm

為研究蠕變對重組竹板增強膠合木梁長期受彎性能的影響，在長期加載試驗結束后，將所有試驗梁進行破壞加載試驗，與未進行長期加載試驗的試驗梁進行比較。為保證試驗數據的準確性，試驗裝置及測點布置與前期短期試驗相同。

2 結果與分析

2.1 試驗梁長期加載試驗結果

2.1.1 不同置換率時膠合木梁跨中凈撓度變化

根據長期試驗過程中采集的數據，將加載比例為預估極限荷載的20%、30%、40%時三種試驗梁的跨中凈撓度值進行計算統計分析(見圖6)。由圖6可見：當加載比例為極限預估荷載的20%、30%、40%時，置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁的初始撓度均大于普通膠合木梁，且當加載比例一定時，普通膠合木梁、置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁的跨中凈撓度增長過程相近，增長速度相似；與置換率為1/6的重組竹板增強膠合木梁相比，置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁初始撓度分別減小了18%、19%、18%；且在長期試驗過程中跨中凈撓度值也始終低于置換率為1/6的重組竹板增強膠合木梁，這是因為當加載比例占預估極限荷載比例一定時，由于重組竹板置換率的增加，受拉區彈性模量整體增大，整體剛度增加，變形減小，因此試驗梁置換率為2/6時更適合長期受荷狀態。

圖6 不同加載比例時梁跨中凈撓度隨加載時間變化曲線

2.1.2 不同加載比例時膠合木梁跨中凈撓度變化

根據長期試驗過程中JM3813靜態應變測試系統采集的數據，將置換率一定時的試驗梁在不同加載比例時的跨中凈撓度值進行計算統計分析(見圖7)。由圖7可見：當試驗進行到試驗全周期的1/3時，所有試驗梁的蠕變變形進程均超過整個蠕變變形周期的一半，且普通膠合木梁的前期蠕變變形增長速度超過重組竹板增強膠合木梁，說明重組竹板的存在延緩了試驗梁的蠕變變形增長速度。當試驗進行到試驗全周期的2/3時，所有試驗梁的蠕變變形進程基本完成了整個蠕變變形周期的90%左右，說明在長期試驗過程中，梁的蠕變變形增長速度前期較大，并逐漸減小，最終趨于穩定。

由圖7可見：置換率一定時，加載比例為預估極限荷載的20%、30%、40%的試驗梁初始撓度，隨著加載比例的增大而相應增大，但不呈線性比例關系。在加載比例為預估極限荷載的20%、30%時，試驗梁的跨中凈撓度值增長速度較為平緩且一致；在加載比例為預估極限荷載的40%時，普通膠合木梁、置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁的跨中凈撓度值增長速度增大，不利于梁的正常使用狀態。因此，在實際工程的設計和使用過程中，應避免長期高加載比例時膠合木梁跨中撓度增長過快給結構帶來危害。

2.2 蠕變對短期加載膠合木梁性能的影響

2.2.1 試驗梁破壞形態

將經過長期試驗后的試驗梁破壞形態與未經過蠕變的試驗梁進行對比，破壞形態未發生明顯改變，主要分為3種：梁底受拉破壞、梁頂受壓破壞、膠層剪切破壞(見圖8)。由圖8可見：普通膠合木梁全部發生梁底受拉破壞、重組竹板增強膠合木梁多發生梁頂受壓破壞和膠層剪切破壞，這是因為在不改變梁截面高度的同時，重組竹板的出現增強了梁受拉區的抗拉能力，根據截面平衡條件，膠合木部分的壓應力增大，底部拉應力相對變小，截面中和軸下移，使得受壓區的木材強度得到充分利用。

圖8 試驗梁破壞形態

2.2.2 試驗梁極限荷載對比

統計經過長期蠕變后短期試驗試驗梁的極限承載力，與未受蠕變影響的試驗梁極限承載力進行對比(見表3)。由表3可見：所有經過長期蠕變后的試驗梁極限承載力均有所下降，普通膠合木梁極限承載力下降了5.3%～26.3%；置換率為1/6的重組竹板增強膠合木梁極限承載力下降了15.3%～45.8%，置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁極限承載力下降了7.9%～30.2%；置換率一定時，極限承載力隨長期加載比例的增大而減小。

表3 蠕變后試驗梁與未蠕變梁極限承載力對比

2.2.3 試驗梁荷載-撓度關系曲線

對比經過蠕變的試驗梁與未經過蠕變的試驗梁荷載-撓度關系曲線，選取長期加載比例為預估極限荷載40%的D組試驗梁數據與未受蠕變影響的試驗梁數據進行對比(見圖9)。由圖9中曲線斜率可見：蠕變后的普通膠合木梁剛度變化不大，置換率不同的兩種重組竹板增強膠合木梁剛度有小幅度下降，同時所有試驗梁變形能力降低。

圖9 蠕變后梁與未蠕變梁的外荷載-撓度曲線

3 結論

當重組竹板增強膠合木梁置換率一定時，蠕變變形值隨加載比例的增大而增大，且增長幅度不呈比例。在高加載比例時，蠕變變形增長量及蠕變變形增長速度均顯著增長，體現了過載對于結構構件的損傷積累極大。

當加載比例占預估極限荷載的比例一定時，重組竹板增強膠合木梁跨中凈撓度值均大于普通膠合木梁，且試驗梁在置換率為2/6時的初始撓度、蠕變變形增長量、蠕變變形增長速度，均小于試驗梁置換率為1/6時，因此置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁更適合長期受荷狀態。

經過蠕變后的短期試驗梁破壞形態沒有發生明顯改變，但極限承載力均有不同程度的下降，普通膠合木梁下降5.3%～26.3%、置換率為1/6的重組竹板增強膠合木梁下降15.3%～45.8%、置換率為2/6的重組竹板增強膠合木梁下降7.9%～30.2%，同時剛度有小幅度下降，變形能力下降明顯。