鋼板增強速生楊膠合木受壓性能試驗研究

王松巖，姜曉雯，王玉鐲，*，郭志鵬，曲爽

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.山東同筑工程設計有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

木結構具有保溫隔熱、綠色環保和抗震性能好等優點，其價格低廉、可就地取材，自古以來就是建筑的主要材料。 但受環境破壞、資源匱乏等方面的影響，我國木結構建筑的發展受到了很大地限制。近年來，我國植樹造林成績斐然，速生楊木儲量豐富，但由于其結構疏松、強度低、易變形等缺點很難直接用于木結構建筑，因此在實際應用中需將其加固或改性來提高木材的各項性能。

當前，對木材改性與加固的試驗研究與理論分析一直是國內外深入研究的熱點。 PARK 等[1]研究了5 種木材制備的正交膠合木(Cross-Lapited Timber，CLT)材料，發現CLT 的強度、彈性模量和剪切性能均優于傳統膠合木。 WANG 等[2]使用層疊木片膠合木(Laminated Strand Lumber，LSL)作為混合交叉層壓木材(Hybrid Cross Laminated Timber，HCLT)的外層或芯材，并測得其彈性模量和抗彎強度分別比CLT 板提高了19%、13%和36%、24%。 劉端等[3]對兩種速生楊樹采用低分子有機樹脂浸漬熱壓的方法對其改性處理，表明改性后楊木的順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量均有較大的提高。 脲醛樹脂、酚醛樹脂、純乳酸低聚物和酚醛甲基脲也常用于化學浸漬并取得了良好的效果[4-9]。 楊會峰等[10]通過在木梁底部和頂部粘貼纖維增強復合材料(Fibre Reinforced Polymer，FRP)加固木梁試驗，得出其受彎承載力和剛度分別提高了18%～63%和32%～88%，同時避免了木梁的脆性破壞。玄武巖復合材料和玻璃纖維也已用于加固木結構并取得了良好的效果[11-14]。 劉慶娟等[15]使用結構膠粘貼不同厚度的木板制成改性試件，發現改性后試件的抗壓強度和彈性模量分別提高了3.02% ～53.63%和5.45%～34.02%。 周乾等[16]研究了碳纖維增強復合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer，CFRP)布加固榫卯節點后木構架的抗震性能，試驗表明CFRP 布加固榫卯節點后，構架的側移剛度和承載力均有所提高了，構架具有較好的變形能力，因此具有較好的加固效果。 綜上所述，目前對木材的研究主要集中在正交膠合木CLT 板、碳纖維布加固以及木材的膠合、化學試劑處理等方面。 因此，文章從鋼板增強膠合木的角度出發，對速生楊膠合木受壓試件進行了鋼板增強試驗，探討鋼板改性對試件受壓力學性能的影響，推進木結構建筑的發展，為木結構工程提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗共設計了26 個試件，由速生楊木板、結構膠和鋼板粘合而成。 速生楊產自中國濟南，結構膠由環氧樹脂和固化劑組成，鋼板厚度分別采用3、5、8 mm 的 Q235 鋼。 木板厚度為 10 mm，涂抹的結構膠厚度為1.6 mm。 各試件制作時，考慮了木板紋理、鋼板的不同排列位置和鋼板厚度(配鋼率)3 個影響因素，其參數見表1。 其中，試件的配鋼率為鋼板與試件的體積之比；改性試件的編號方式以SH3-(1-3)A 為例，各符號按順序分別為木紋順紋、木紋橫紋、鋼板的厚度和1、2、3 共3 個構件以及鋼板木板具體組合方式，如表1 所示；鋼板位置M-N 表示粘貼在M 號木板和N 號木板之間的鋼板，如1-2 表示鋼板在1 號木板和2 號木板之間，從左到右分別為1～10 號木板。

表1 鋼板增強速生楊膠合木試件試驗參數表

試件嚴格按照標準制作[17-18]。 將木板和鋼板表面打磨干凈并涂抹結構膠按照順序粘貼好，再將試件表面施加0.1 MPa 的壓力并養護固化48 h。 鋼板增強速生楊膠合木試件制作粘貼示意如圖1 所示。 其中，圖1(a)為原木試件、圖1(b)～(d)為不同紋理試件、圖1(e)和(f)為不同鋼板位置試件、圖1(g)和(h)為不同配鋼率試件。

圖1 鋼板增強速生楊膠合木試件制作粘貼示意圖

1.2 材料性能

1.2.1 含水率測定

根據GB 50005—2003《木結構設計規范》[19]的要求，膠合木層板含水率應為8%～15%，此時木材的力學性能最穩定。 將10 塊尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的速生楊木立方體試件放在烤箱中烘烤8 h，分別在烘烤前、后稱重。 根據 GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》[20]測得木材的含水率分別為11.56%、11.96%、12.27%、12.53%、13.14%、12.73%、12.13%、12.40%、12.72%、12.43%，均在規范要求的范圍內。

1.2.2 結構膠的物理性能

試驗所用的結構膠由濟南慶達豐公司生產，分為A、B 兩組，制作構件前，先將A、B 兩組膠按照要求混合并充分攪拌均勻，再涂抹到需要粘接的木材、鋼板表面。 混合后結構膠的抗拉強度、抗彎強度和抗壓強度分別為37.9、80.2、87.6 MPa，其受拉彈性模量為3 700 MPa、伸長率為1.4%。

1.2.3 鋼板的物理性能

試驗所用的鋼板為Q235 鋼，其屈服、抗拉強度分別為235、375 MPa。 裁剪成試驗所需的尺寸，涂抹結構膠前，將鋼板表面的銹跡打磨干凈后方可用于試件構件的制作。

2 試驗現象和破壞狀態

試驗采用WAW-1000C 型微機控制電液伺服萬能試驗機，以2 mm/min 軸向勻速加載。 試件的試驗現象見表2， 最終破壞狀態如圖2 所示。

圖2 試件破壞狀態圖

表2 試驗現象和破壞狀態表

由表2 和圖2 可知，試件破壞形態為木板首先出現開裂，裂縫沿水平向和斜向發展，而后鋼板與木板連接處出現裂縫，鋼板屈曲喪失承載力，試件破壞。 對于不同紋理的試件，鋼板開始屈曲的時間也不相同。 當試件木板為順向紋理時，可以充分發揮木材的強度，承載力較高。 對于不同鋼板排列位置的試件，其中布置的鋼板發生屈曲的時間也不同。 當試件的組合為B 方式，即鋼板排列在1-2/5-6/9-10時，鋼板最早開始屈曲。 此時，最外層的木板隨鋼板向外彎曲，隨著荷載的增大，試件的板與板之間形成貫穿通縫，試件整體性下降，承載力降低。 隨著配鋼率的增加，試件中布置的鋼板發生屈曲的時間推遲。因此，提高配鋼率可以提高改性試件的承載力。

3 試驗結果與分析

3.1 不同紋理試件力學性能分析

不同紋理試件試驗后的力學性能參數見表3，平均抗壓強度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖3所示。

表3 不同紋理試件力學性能參數表

圖3 不同紋理試件的抗壓強度、軸向變形和彈性模量柱狀圖

由圖3(a)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、SH3-A 和 H3-A 的抗壓強度分別提高了88.39%、73.03%和 70.53%。 S3-A 的抗壓強度比SH3-A 提高了8.9%，而比 H3-A 提高了10.47%。當試件的木板為順向紋理時，承載力較高。

由圖3(b)可知，試件 S3-A、SH3-A 和 H3-A的軸向變形幾乎相同，比原木試件 Y100 提高了41.90%。 因此，板材的紋理對改性試件的軸向變形基本沒有影響。

從圖3(c)可知，與原木試件Y100 相比，彈性模量顯著提高，試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的彈性模量分別提高了169.75%、171.25%和172.81%。 試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的彈性模量相差較小，說明其受紋理影響較小。

3.2 不同鋼板布置位置試件力學性能分析

不同鋼板布置位置試件試驗后的力學性能參數見表4，構件的抗壓強度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖4 所示。

圖4 不同鋼板布置位置試件的抗壓強度、軸向變形和彈性模量柱狀圖

表4 不同鋼板布置位置試件力學性能參數表

由圖4(a)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的抗壓強度分別提高了88.39%、65.28%和70.71%。 顯然，鋼板布置位置對改性試件抗壓強度有顯著影響。 根據試驗結果可知，鋼板的最佳布置為A 組合方式。

由圖4(b)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的軸向變形分別增加了41.90%、33.52%和45.81%，當鋼板布置在試件邊緣附近時，即鋼板布置位置為1-2/5-6/9-10 時，增強了對木板的側向約束，因此軸向變形最小。

由圖4(c)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的彈性模量分別提高了169.75%、221.52%和150.47%。 當鋼板位置從試件中部向邊緣排列時，與S3-C 相比，S3-A 和S3-B 的彈性模量逐漸增大。

3.3 不同配鋼率試件力學性能分析

不同配鋼率試件試驗后的力性能學參數見表5。 平均抗壓強度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖5 所示，不同配鋼率試件抗壓強度、變形量擬合曲線如圖6 所示。

圖5 不同配鋼率試件的抗壓強度、軸向變形和彈性模柱狀圖

圖6 不同配鋼率試件抗壓強度、變形量擬合曲線圖

表5 不同配鋼率試件力性能學參數表

由表5 和圖5(a)可知，與原木試件Y100 相比，配置3 mm(S3-A)、5 mm(S5-A)和8 mm(S8-A)厚鋼板試件的抗壓強度明顯提高，抗壓強度分別提高了88.39%、93.08%和118.35%；彈性模量分別提高了169.75%、207.31%和198.83%，而軸向變形分別提高了41.90%、48.60%和53.63%。

對不同配鋼率試件的抗壓強度、變形量數據分別進行擬合，得到的抗壓強度、變形量計算公式由式(1)和(2)表示為

式中ym為鋼板增強試件實測抗壓強度，MPa；x 為改性試件配鋼率，%；f0為速生楊原木抗壓強度，MPa；um為鋼板增強試件實測變形量，mm；ε0為速生楊原木變形量，mm。

3.4 理論分析

改性后的試件為鋼木復合材料，由木板、鋼板和結構膠3 種材料組成。 根據上述試件的試驗現象分析，鋼板為失穩破壞、木板為強度破壞。 試件的設計參數和材料的力學性能見表6。 根據表5 中的抗壓強度和表6 中的材料參數聯立得出的方程組由式(3)表示為

表6 不同試件參數表

式中α1為木材抗壓強度提高系數；α2、α3分別為鋼板和結構膠抗壓強度折減系數。 根據式(3)求得α1、α2、α3分別為 1.980、0.500 和 0.007。

鋼板是失穩破壞，因此參考鋼結構的軸壓穩定 計算公式N/φA≤f，其中N 為極限承載力，kN；φ 為軸心受壓構件的穩定系數；A 為受壓截面面積，mm2；f 為鋼材抗壓強度，MPa。 當鋼板穩定應力超過鋼材強度設計值時，發生屈曲。 由于鋼板承受壓力，把鋼板類比成兩端簡支軸壓桿集合，如圖7 所示，其中F 為載荷。 由于木板與鋼板共同作用，鋼板的穩定系數應考慮木板對鋼板約束的影響。

圖7 兩端簡支軸壓桿集合圖

將鋼板類比成壓桿，因此引入鋼結構壓彎構件穩定系數，由式(4)和(5)[21]表示為

式中fy為鋼材的屈服強度，MPa；E 為鋼材的彈性模量，MPa；λ 為長細比；λn為正則化長細比；φ 為軸心受壓構件的穩定系數。

將3 mm 厚鋼板的長細比(λ ＝高度/回轉半徑＝115.47)代入式(4)和(5)，查規范可知，穩定系數φ為0.46，與α2相差0.8%，由于鋼材的強度遠大于木材，木材對鋼板的側向約束影響較小，而鋼材的側向約束對木板的影響較大。 沿木板、鋼板排列的水平方向，橫向約束對鋼板的穩定性影響不大。 因此，鋼板的不同排列位置引起的α2的變化值可以忽略不計。

但是，由于鋼板的布置位置不同，橫向約束也不同。 因此，α1隨鋼板排列位置的不同而變化。 鋼板配置在1-2/5-6/8-9 和3-4/5-6/7-8 位置時滿足的公式由式(6)和(7)分別表示為

將式(3)求得的 α2＝0.500 和 α3＝0.007 帶入式(6)和(7)分別求得鋼板在1-2/5-6/9-10 時的α1為 1.69，在 3-4/5-6/7-8 時的 α1為 1.76。

綜上，鋼板增強速生楊木試件抗壓強度由式(8)表示為

式中α1隨鋼板的布置位置而變化，鋼板在1 -2/5 -6/9 - 10、2 - 3/5 - 6/8 - 9、3 - 4/5 - 6/7 - 8 時，α1分別為1.69、1.98、1.76；β1、β2、β3分別為試件的木板比例、鋼板比例和結構膠比例；f1、f2、f3分別為木材、鋼材和結構膠的抗壓強度，MPa。

4 結論

通過鋼板增強速生楊膠合木試件的軸心受壓試驗，主要得到了以下結論:

(1) 當紋理組合方式不同時，與速生楊原木試件相比，試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的抗壓強度分別提高了88.39%、73.03%和70.53%。 當配鋼率及鋼板布置位置相同時，改變木材紋理組合方式，對試樣的軸向變形和彈性模量基本沒有影響。

(2) 當鋼板布置位置不同時，與速生楊原木試件相比，試件S3-A、S3-B 和S3-C 的抗壓強度分別提高了88.39%、65.28%和70.71%。 鋼板的最佳布置位置為2-3/5-6/8-9 時，其抗壓強度最高；當鋼板的布置位置為1-2/5-6/9-10 時，軸向變形最小；當鋼板位置從試件中部向邊緣排列時，彈性模量逐漸增大。

(3) 當配鋼率不同時，與速生楊原木試件相比，配置3 mm(S3-A)、5 mm(S5-A)和8 mm(S8-A)厚度的鋼板試件的抗壓強度分別提高了88.39%、93.08%和118.35%。 在相同的紋理組合和鋼板位置布置的方式下，隨鋼板厚度的增大，試件抗壓強度隨之增大，試樣軸向變形量和彈性模量均有所提高。

(4) 通過數據擬合和理論分析得到了鋼板增強速生楊膠合木的抗壓強度計算公式。