鋼板加固小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力研究

鄒艷花ZOU Yan-hua；劉陳誠LIU Chen-cheng

（①湖南城建職業技術學院建筑工程系，湘潭 411101；②中南林業科技大學土木工程學院，長沙 410004）

0 引言

木材是一種負碳、節能、可再生的天然無污染材料[1]。膠合木作為現代木結構最常用工程木產品，在原木的基礎上更加美觀舒適、結構均勻，符合綠色建筑發展理念[2]，且膠合木可進行生產工業化、標準化、施工裝配化，有利于裝配式建筑的發展[3]。因此，膠合木在國內外得到了廣泛的研究和應用[4-5]。膠合木雖有許多優點，但由其制作的結構構件如膠合木梁也存在抗彎承載力不夠或易產生脆性破壞等問題，其主要是由于膠合木梁抗剪強度較低。因此，為降低剪切變形影響，眾多學者[10]對增強加固膠合木梁進行了研究，其主要增強材料有CFRP板、BFRP板、螺釘和預應力筋等，但增強方式有所不同。課題組也采用底部粘貼鋼板對小跨高比膠合木梁進行了增強加固研究，結果表明梁底粘貼鋼板近能小幅度的提高膠合木梁的抗彎性能，但提高程度不理想[11]。雖效果不佳，但有一定的提高。因此，梁底部粘貼鋼板作為一種最簡單且易施工的加固方式，對其承載力進行研究也具有一定的意義。本文結合試驗結果及理論分析，對鋼板加固小跨高比落葉松膠合木梁的抗彎性能及抗彎極限承載力的計算進行了研究。

1 前期試驗

課題組前期根據《木結構試驗方法標準》（GB/T50329-2012）[12]中的相關規定，以東北落葉松為原材料，鋼板為加固材料，制作了9根3組小跨高比膠合木梁試件，其中3根為底板粘貼鋼板小跨高比膠合木梁，該3根試件的尺寸及跨高比如表1所示。各試件均由10塊厚為30mm的落葉松鋸材膠壓而成，通過試驗測得其力學性能如表示2所示。試件底部所粘鋼板為Q235級鋼，其屈服強度為235MPa、彈性模量為2.1×105MPa，鋼板長l×寬b×厚t為4000mm×100mm×2mm。

1.1 試驗參數（表1、表2）

表1 試件尺寸及跨高比

表2 膠合木力學性能

1.2 試驗結果

3根鋼板加固小跨高比落葉松膠合木梁試件試驗過程中，破壞過程基本相同。加載初期，試件處彈性受力狀態。隨著荷載增大，木梁發出輕微響聲；荷載繼續逐級增加，試件兩端支座及其附近慢慢出現多條縱向裂縫。繼續加載，支座附近裂縫發展并不太明顯。三根試件分別加載至108kN、110kN、118kN持荷時，一聲巨響，試件被一條縱向裂縫一分為二，兩者錯開1～2mm，但鋼板依舊粘貼良好，分配梁支座鋼板下方木纖維出現局部褶皺現象，試件破壞形態如圖1所示。

根據試驗可知，小跨高比膠合木梁受彎時，由于梁內剪應力較大，木梁抗剪能力不足，因此易出現較多抗剪裂縫。木梁底邊粘貼鋼板，可一定程度上提高試件抗拉能力，但效果不佳，仍屬于順紋受剪破壞。

2 極限承載力分析

2.1 極限承載力計算公式推導

假定：①木梁截面應變分布符合平截面假定；②木梁受拉和受壓的彈性模量相同；③不考慮鋼板與木材之間粘鋼膠的厚度；④層板間黏結完好，無相對滑移；⑤木材的順紋本構關系采用Bazan提出的雙折線拉壓本構模型[13]，如圖2所示。圖中σtu、σcu分別為木材的極限拉應力及極限壓應力；εtu、εcu分別為木材的極限拉應變及極限壓應變；σce、εce分別為木材彈性壓應力及彈性壓應變；Et為木材彈性模量；m（m≤0）為材本構關系曲線中受壓區下降段斜率與彈性模量E的比值。

木梁發生順紋剪切破壞，采用極限應變分析方法，則木梁截面理論分析模型如圖3所示。圖中σt、εt分別為木梁破壞時，其下邊緣所受拉應力、拉應變；hce、hcp、ht分別為木梁彈性受壓區高度、塑性受壓區高度及木梁受拉區高度；Fce、Fcp、Ft分別為木梁彈性受壓區合力、塑性受壓區合力及木梁受拉區合力；Fs為鋼板所受拉力。

由靜力關系得：

設合力Fcp距中心軸的距離為x：

整理可得：

則分析鋼板增強小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力時，取

對截面處鋼板合力點即梁底取距，可得鋼板增強小跨高比膠合木梁所能承擔的極限彎矩為：

則底部粘貼鋼梁在三分點受彎作用時所能承受的極限荷載為：

2.2 試驗值與理論值對比分析

根據《木結構設計手冊》[14]及文獻[15]落葉松木材的相關數據如下：

Et=16900MPa，彈性模量調整系數為0.8，m=-0.25，εce=2.5×10-3，εcu=10×10-3，εtu=8.0×10-3，Es=2.1×105MPa，t=2mm，l0=3600mm。

按公式（1）～（15）計算出鋼板增強小跨高比膠合木梁的極限承載力，結合試驗值得表3所示。由表3可知，理論極限承載力理論值與實測值最大誤差為10.8%，平均誤差為5.2%，且理論值較實測值偏于保守。因此，該極限承載力理論計算公式可為實際工程木梁構件的設計及應用提供依據。

表3 理論值與實測值極限承載力比較

3 結論

根據前期試驗及理論分析，可得如下結論：①鋼板增強小跨高比膠合木梁受彎為順紋剪切脆性破壞；鋼板加固能對膠合木梁抗彎極限承載力略微有些提高，但由于底部粘貼鋼板對小跨高比膠合木梁抗剪能力影響不大，因此對其抗彎極限承載力的提高效果不理想。但由于梁底粘貼鋼板是最簡便且易施工的一種已建膠合木梁加固方式，因此對其承載力的研究具有一定的意義。②基于極限應變分析方法，提出了鋼板增強小跨高比膠合木梁抗彎極限承載力計算公式。根據理論值與實測值對比分析，認為該公式較為合理，可為已建膠合木梁構件的加固提供理論計算依據。