薄壁鋼木組合梁承載力實驗研究★

李彤桐 王超凡 洪浩凱 王秉鈞 朱成浩 李國東*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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·結構·抗震·

薄壁鋼木組合梁承載力實驗研究★

李彤桐 王超凡 洪浩凱 王秉鈞 朱成浩 李國東*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

采用試驗方法，研究了3個梁試件受彎狀態下的力學性能，通過實驗現象及數據，對鋼木組合梁的變形特點、應力分布以及破壞機理進行了分析，結果表明，鋼木組合梁延性好、承載力較高，完全可以滿足工程需求。

鋼木組合梁，方木，承載力，延性

我國倡導綠色、安全的建筑結構，以膠合木為主的現代木結構以及適于建造底層建筑的冷彎型鋼結構符合政策導向，更具有發展前景。膠合木抗彎強度相對較低，材質脆性大，梁式構件的跨越能力差，增強木梁是木結構研究的熱點。針對木梁的受力特點，國內外學者提出了對普通木梁進行加強，以及一些提高其承載力及變形性能的措施，并進行了相應的研究，其中主要包括配置鋼筋或鋼絲和配置纖維材料兩方面。在配置鋼筋或鋼絲方面，文獻[1]在木梁內部進行張弦，從而形成預應力張弦木梁，并通過1∶2比例的模型試驗，證實了此種構件比普通木梁在剛度上有較大的提高，給出了張弦木梁的撓度計算方法并分析了影響剛度的因素；文獻[2]～[4]對配置鋼絲的預應力木梁和預應力鋼木組合結構進行了一系列試驗研究和理論分析，推導了集中荷載作用下上述構件的撓度計算公式，并分析了腹桿及所施加的預應力值對抵抗彎曲變形的影響。文獻[5]提出了一種在膠合木上、下表面開槽，放入鋼筋后灌入樹脂膠形成的組合梁，通過擰緊下部鋼筋端部的螺帽來施加預應力，對膠合木梁、配筋膠合木梁以及配筋并加預應力的膠合木梁進行對比試驗，結果表明配置鋼筋后，梁的強度、剛度和延性都有顯著提高，施加預應力能使梁的剛度和延性進一步提高。

將薄壁鋼與方木組合一起形成的組合梁是一種全新的增強木梁的方式，通過薄壁型鋼與方木的截面組合不僅能發揮木材抗壓能力強的優勢，還能避免薄壁鋼構件局部屈曲和畸變導致的承載能力降低的缺點。但國內外關于上述組合方式的木梁的研究成果尚不明確，因此，設計制作了3根薄壁工字鋼與方木組合的鋼木組合截面梁，擬通過實驗方法對其受彎狀態下的變形特點、承載能力進行研究。

1 鋼木組合梁及試件

工字型薄壁鋼膠接方木的組合截面梁是一種新型的增強木構件，由工字型薄壁鋼、膠合方木、結構膠粘層三部分組成，其構造如圖1所示，構件組合時將“工”字形薄壁鋼上表面涂高強度膠，將膠合方木材與之粘結為一體，形成以方木受壓、工字鋼大部分截面受拉的具有良好經濟性能和實用性能組合。

試驗梁長3 000 mm。其中，工字型薄壁鋼材質為Q235，截面尺寸為100×100×2.5，方木尺寸為100 mm×100 mm，選用了東北落葉松，符合《木結構設計規范》的強度等級TC17的要求，粘結膠采用高強度木工接榫鐵膠。構件示意圖如圖1所示。

2 鋼木組合梁承載力試驗

2.1 加載設備與測點布置

試驗采用反力架配合千斤頂手動加載的方式和對組合木梁進行加載，分配梁由長度為1 100 mm的工字鋼和兩個鋼軸組成，鋼軸間距1 000 mm，能將千斤頂施加的荷載以集中分力的形式作用于鋼—木組合梁的三分點上，木梁的兩側支座為鋼滾和三角鋼固定鋼支座，通過水平位移的控制使之滿足鉸支撐的條件，組合木梁下設鋼墊板，鋼墊板與組合梁的支承長度為100 mm。

試驗時設置了3個位移測點以采集鋼木組合梁在加載過程中的豎向變形情況。每個測點均設置一部機械式百分表，百分表的量程為100 mm，最小分度值為0.01 mm。測點1位于鋼木組合梁的跨中頂部，測點2和測點3分別位于鋼木組合梁兩端的頂部。在梁跨中的工字梁的側面及下部布設3道應變片；方木的上部及側邊同時布設3道應變片，以采集梁的應變數據。測點的具體位置如圖2所示。

2.2 試驗過程及現象

設計并制作3根鋼木組合梁，編號分別為ML1，ML2，ML3。每根組合木梁試驗前先以20 kN的力加載3 min后卸載至0 kN，往復三次。然后采用逐級加載的方式對每組梁依次進行試驗，第一級加載為10 kN，第二級加載為10 kN，以后每級加載5 kN。每級加載完成后持荷5 min，逐級加載直至試件失效。

鋼木組合梁ML1加載至40 kN時，上部方木在梁距左側1 150 mm處出現斜向裂縫，加載至45 kN時，發出聲響，斜向裂縫開展至梁底，裂縫附近出膠合面有脫離，不適于繼續加載，根據梁破壞的現象判斷，梁的破壞源于分配梁下鋼軸的局部擠壓導致的剪切破壞。因此在鋼木組合梁ML2，ML3試驗時，將鋼軸下的墊板加寬至50 mm，梁ML2，ML3未發生類似的破壞。

梁ML2加載至50 kN時，組合梁偶然發出“叭”的聲響，經觀察未發現組合梁有損壞，停止加載后，跨中處的百分表示數穩定，繼續加載至50 kN，加載中仍有聲響間斷發出，持載時觀察梁，發現加載點附近的方木與工字鋼的粘結層有裂隙，停止加載后，跨中處的百分表示數穩定。繼續加載至60 kN，粘結層的裂隙逐漸出現在梁的純彎區段，但未連成片。加載至70 kN時，能清晰地聽到木材劈裂聲，73 kN時在距梁端1 350 mm處木材破壞，在形態上是壓擠狀破壞。在加載60 kN至破壞時，位移測點的百分表讀數逐漸增大，表明梁發生了塑性變形。

梁ML3加載至45 kN時，組合梁偶然發出聲響，加載至50 kN時，加載點附近的方木與工字鋼的粘結層同樣出現了裂隙。繼續加載至55 kN，梁的純彎區段粘結層的裂隙逐漸顯現。加載至60 kN時，聽到木材劈裂聲響，在距梁端1 280 mm處膠接處出現長約30 mm的開裂，繼續加載至65 kN開裂處的裂縫擴展至125 mm，裂隙處有部分區域粘結膠將方木下邊緣撕裂出裂縫。繼續加載至68 kN時，方木與鋼材的膠接大幅開裂，方木沿膠接面的裂縫迅速開展，直至貫通方木，加載試驗停止。

試驗結束后，觀察各個梁試件。其中梁ML1下部的工字鋼無明顯的形變；ML2，ML3的工字鋼發生了整體彎曲的形變，但工字鋼的上、下翼緣以及腹板未發現明顯的局部變形。

2.3 組合梁承載能力分析

通過對ML1，ML2，ML3組合木梁的試驗，得到了梁喪失承載力時的極限荷載分別為45 kN，73 kN和68 kN。3根組合木梁的失效現象中，ML1是由加載方式不合理導致梁的局部損壞，ML2從試驗現象上看是組合梁的上部方木達到了受壓強度極限值而發生的構件損壞；ML3是膠接面局部開裂導致了膠接面的失效，同時在開膠區域，因鋼木接觸面的變化，導致了應力集中的現象，應力較大處的局部木材因受拉破損造成了材料上的缺陷，隨著后續的加載受損處的木材破壞急劇發展而導致了梁構件的損壞。以上實驗結果說明，加強膠合面的膠合質量是保證組合梁承載力的重要因素。

依據文獻[6][7]中的相關規定，對組合梁的承載能力進行估算，當按彈性狀態進行計算分析時，組合梁的理論極限加載46.8 kN。當按照完全塑性狀態進行計算分析時，組合梁的極限加載為117.5 kN，而ML2的實際加載為73.0 kN，是彈性理論估算值的1.56倍。表明組合梁在彎曲狀態下能較充分的發揮材料的強度。

通過位移數據和測點應變數據的顯示，表明ML2，ML3在前5級加載過程中呈彈性狀態，當加載超過40 kN時，梁表現出明顯的非線性變形特征，加載至破壞時梁跨中的變形量達到116 mm，說明梁具有較好的延性。狀態具有明顯的塑性變形特征，試件ML2跨中位移實測數據如圖3所示，工字鋼下翼緣處的應變片9和方木上部的應變片1的應變如圖4所示。

3 結論及討論

通過實驗方法對3根薄壁工字鋼與方木組合的鋼木組合截面梁進行了力學性能的研究，分析結果表明：

1)鋼木組合梁具有良好的承載能力。試件ML3的承載能力是彈性計算方法計算值的1.5倍，說明組合梁在彎曲狀態下能較充分的發揮材料的強度，經濟性良好。

2)試驗數據顯示鋼木組合梁在達到極限狀態時組合梁將發生顯著的變形，改善了普通木梁的脆性破壞的缺點。

3)試件ML2因膠接部位的膠開裂導致了構件承載能力的降低，說明鋼木組合梁鋼與木的膠結層是構件的薄弱部位。保證鋼與木的膠結質量是實現組合梁良好承載能力以及變形能力的關鍵因素。

以上結論初步確定了工字鋼與方木相組合的組合梁力學性能，關于組合梁的承載力計算理論、設計方法以及鋼木之間可靠連接的構造措施是有待深入研究的問題。

[1] 張濟梅,潘景龍,董宏波.張弦木梁變形特性的試驗研究[J].低溫建筑技術，2006(2):49-51.

[2] 狄生奎,宋 蛟,宋 彧.預應力木結構受力特性初步探討[J].工程力學，1999,2(sup):454-457.

[3] 狄生奎,韓建平,宋 彧.集中荷載作用下預應力木梁的設計與計算[J].工程力學，2000(sup):248-251.

[4] 宋 彧,林厚秦,韓建平，等.預應力鋼筋—木結構受力性能的試驗研究[J].結構工程師，2003(1):54-60.

[5] Vincenzo De Luca, Cosimo Marano. Prestressed glulam timbers reinforced with steel bars[J].Construction and Building Materials,2012,30(5):206-217.

[6] GB 50005—2003，木結構設計規范[S].

[7] GB 50017—2006，鋼結構設計規范[S].

Experimental research on the bearing capacity of steel-wood composite beams★

Li Tongtong Wang Chaofan Hong Haokai Wang Bingjun Zhu Chenghao Li Guodong*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Three beams’mechanical properties under bending state was studied by experiment. Through the experiment phenomena and data, this kind of beams was analyzed from its deformation characteristic, strain distribution and the damage mechanism. The results show that the beams have good ductility, high bearing capacity, which can fully satisfy the project.

steel-wood composite beams， lumps of wood, bearing capacity, ductility

1009-6825(2016)13-0035-02

2016-02-28★:大學生創新創業訓練項目計劃(項目編號：201510225172)

李彤桐(1995- )，女，在讀本科生； 王超凡(1995- )，女，在讀本科生； 洪浩凱(1995- )，男，在讀本科生；

李國東(1976- )，男，講師

TU312

A

王秉鈞(1994- )，男，在讀本科生； 朱成浩(1996- )，男，在讀本科生