鋁-木組合梁抗彎性能研究

邢 新 岑培山

（鄭州升達經貿管理學院建筑工程學院，河南 鄭州 451191）

目前，我國的建筑大多為鋼結構或鋼筋混凝土結構，而鋼筋及混凝土均為高耗能材料，其對于環境存在著很大危害，而且建筑垃圾對大氣、水源、土壤等均存在較大的危害。2020年9月，我國明確提出了“碳中和”“碳達峰”目標，“綠色建筑”“綠色建材”的課題也得到更加廣泛的研究發展，一些環保節能的建筑材料被廣泛推廣，許多省份還出臺了一些裝配式結構的相關推行政策。而鋁材可與木材組合作為一種節能、低碳、環保的新型結構形式。

木材是一種天然可再生能源，而且木結構建筑在施工過程可減少對環境的危害，是一種綠色環保且抗震能力良好的結構形式。鋁合金具有高強、抗震能力好的優點，而且相對于一般的鋼材，鋁合金具有較好的耐腐蝕性，自重輕，可塑性好，抗彎剛度更好。兩種材料組合可以取長補短，更好地發揮其作用，木材的側向支撐作用可以很好防止鋁板由于側向剛度不足而過早出現屈曲現象，鋁板可以彌補木材強度低、脆性破壞的缺點。

對于鋼-木組合梁，國內外學者進行了較多的研究。Jasienko等[1]、李登輝[2]、錢哲等[3]、廖靜[4]和張也等[5]對鋼-木組合梁的抗彎性能及發展前景進行了研究，結果表明：鋼有效地提高了木梁承載能力，鋼-木組合梁的發展應用前景良好。劉慧[6]、張聰[7]對鋁-OSB板組合梁抗彎性能進行了研究，研究表明：用鋁-木組合梁替代鋼-木組合梁是可行的，鋁合金板和OSB板可以更好地發揮各自的優點，二者組合能夠很好地協同工作。

目前對鋼-木組合構件的研究更多是以普通鋼材與木梁的組合構件為對象，而對于鋁-木組合的研究則較為缺乏。本文以是否使用鋁合金板加固及鋁合金板加固位置為變量，對所制作的試件進行加載試驗和理論計算，分析其受力性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗共設置了3個試件，其中試件L1為純木梁，試件L2為鋁合金板底部加固的組合梁，試件L3為鋁合金板側面加固的組合梁。鋁合金板與木梁之間的連接一般采用粘鋼結構膠粘貼或者螺釘固定的方法[7]。本試驗中組合梁試件采用粘鋼結構膠粘貼的方法。試件尺寸設計詳見表1，試件橫截面尺寸見圖1。

表1 試件尺寸參數

圖1 試件截面構造及尺寸

本次試驗中鋁合金板與木梁的粘貼選用改性環氧樹脂粘鋼膠進行粘貼。粘貼前將膠水A和膠水B按照3∶1的配合比倒入指定容器中并攪拌均勻，然后將拌制均勻的粘鋼膠涂刷在木梁表面，涂抹厚度一般在2mm左右。涂抹時要注意涂抹均勻，以免試驗時因粘貼不牢固而開裂從而影響試驗結果。粘貼后要及時對組合梁施加壓力，促使鋁合金板與木梁粘貼更加牢固，如圖2所示。涂膠粘貼時，應在環境溫度為25℃左右時進行，溫度較低時應采取保溫措施[8]。

圖2 鋁-木組合梁施壓加固

1.2 材料性能

鋁合金板使用5083型鋁材，通過材性試驗，測得彈性模量7.26×104MPa。木梁使用松木，木材材性由制作三個300mm×60mm×60mm的試件經過測試獲得，彈性模量1.44×104MPa。

1.3 試驗方案

本次試驗選用分級加載的方法，每級加荷增量為1kN，采用三分點加載，待加載至最大撓度24mm（即跨度的五十分之一）時停止加載。支座距離試件邊緣均為100mm，兩支座之間的間距為1200mm。加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置

本試驗所選用的應變片尺寸為6mm×108mm。L1、L2梁的應變片粘貼在木梁跨中兩側面且距離木梁邊緣3mm的位置處，L3梁的應變片粘貼在用鋁合金板加固的一側的跨中距離木梁邊緣3mm處，每個側面粘貼兩個應變片，同時在3個試件的上下兩面未加固鋁合金板一側的跨中位置均粘貼應變片。同時將位移計布置在梁的跨中處，用以量測梁受荷后的撓度值。

2 試驗結果分析

圖4為3個試件在相同條件下全過程加載的荷載-撓度曲線圖。通過分析圖4可知，相對于純木梁，鋁合金板加固的組合梁的承載力明顯優于純木梁試件，組合梁的抗彎性能有著明顯的增強，其中試件L2的曲線斜率大于試件L3的曲線斜率，由此可見鋁合金板底部加固的效果優于側面加固的效果。

圖4荷載-撓度曲線

當撓度值相同時，由表2可知，3個試件的撓度均達到24mm時，純木梁試件L1承受的最大荷載值為8.99kN，使用鋁合金板底部加固的試件L2承受的荷載值為17.00kN，鋁合金板側面加固的試件L3承受的最大荷載值為10.98kN。試件L3較試件L1的承載能力提高了22.14%，試件L2較純木梁試件的承載能力提高了89.10%，試件L2較試件L3的承載能力提高了56.11%。

表2 試件撓度-荷載匯總表

文獻[10]與文獻[11]中規定梁的跨中撓度δ≤l/250，本試驗中試件的跨度均為1200mm，故δ≤4.8mm。當撓度值達到4.8mm，試件L1所承受的荷載為2.72kN，試件L2所承受的荷載為4.25kN，試件L3的承載力為3.06kN。試件L2較試件L1所承受的荷載值增高了56.25%，試件L3相對于試件L1承載力提高了12.5%，試件L2較試件L3承載力提高了38.89%。

3 理論計算

本文中鋁-木組合梁抗彎性能的計算參照鋼管混凝土組合結構的計算方法，選用承載力疊加法進行計算。

3.1 剛度計算

式中EI-鋁-木組合梁剛度；

ElIl-鋁合金板的剛度；

EmIm-木材的剛度。

鋁-木組合梁剛度按照上式計算，經過計算得到試件L2的剛度為6.46×1010N·mm2，試件L3的剛度為

4.92×1010N·mm2。

3.2 承載力計算

本文中撓度計算公式按照簡支梁跨中撓度計算公式進行計算，并引入βw（鋁-木組合梁變形協調系數），取βw=1.2[6]。

根據文獻[10]與文獻[11]計算得試件跨中撓度容許值為4.8mm。通過上式計算容許撓度對應的理論載荷值，并與試驗值進行對比，計算值詳見表3。

表3荷載計算值與試驗值對比表

為了驗證上述計算公式的可行性，引入文獻[7]中的試驗結果與依據上式所得到的計算結果進行比較。

從表3和表4可以看出，荷載計算值與試驗值的誤差均不超過8%。由圖5可以更加直觀地看出，計算值與試驗值緊密的分布在y=x的兩側，充分表明了上述公式的可行性。

表4荷載試驗值[6]與計算值對比表

圖5 荷載計算值與試驗值

4 結語

（1）使用鋁合金板加固木梁可以顯著增強木梁的抗彎性能，而且在木梁底部加固鋁合金板的效果比側面加固更好。

（2）本文引入鋁-木組合梁協調變形系數，理論計算值與試驗值基本吻合，理論計算公式具有一定的可行性，可以為相關研究提供參考。