鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗

何佳偉，李玉順，李冉，呂博

(寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗

何佳偉，李玉順*，李冉，呂博

(寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

以兩根對立放置的冷彎薄壁U型鋼作為箱形骨架，骨架外表面通過結構膠黏劑黏結4塊竹膠板，制成鋼-竹組合箱形梁。試驗以箱形組合梁翼緣、腹板竹膠板厚度、冷彎薄壁U型鋼翼緣寬度和組合梁剪跨比為控制參數，對6根鋼-竹組合箱形梁進行抗剪性能試驗，測量各級荷載作用下組合梁應變和撓度的發展，分析組合梁的受剪破壞過程和破壞機制，探討了組合梁的抗剪性能。試驗結果表明，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應明顯，組合梁翼緣、腹板竹膠板厚度的增加，可以提高其極限抗剪承載力，與此同時，組合梁剪跨比的減小也能使其抗剪能力有較大提高。研究表明，組合梁破壞經歷兩個階段，即彈性階段和彈塑性階段，具有良好的延性和安全儲備，能夠作為受力構件用于建筑工程。

組合梁；冷彎薄壁型鋼；竹膠板；剪跨比；抗剪性能

0 引言

竹子的生長速度很快，一般只需3～5a便可成材利用，是一種短周期的可再生資源[1]。竹材具有優良的力學性能，其抗拉強度約為木材的2倍，抗壓強度約為木材的1.5倍[2]。中國擁有世界上最豐富的竹資源，在全國各地共分布著40多屬、約500種竹子，合理利用竹資源對生態平衡和環境保護有著重大而深遠的意義。對原竹進行改性加工，可以獲得形式規整、力學性能良好的竹材人造板，目前竹簾膠合板是我國竹材人造板中發展最快、規模最大的一個品種，其具有強度高、韌性好、各向異性小等特點[3-4]。

冷彎薄壁型鋼是在冷狀態下彎曲鋼板形成的各種截面形式的輕型薄壁鋼材，其質輕且截面慣性矩較大，具有較高的強度重量比，進而擁有較好的經濟性[5]。

為了充分利用我國豐富的竹資源、竹材人造板優良的力學性能和冷彎薄壁型鋼的靈活截面特性，科研人員提出了鋼-竹組合結構這種新型的結構形式。鋼-竹組合結構通過結構膠黏劑將竹材人造板與冷彎薄壁型鋼黏結組合在一起形成各種截面形式的結構構件，能較好地發揮竹材人造板和冷彎薄壁型鋼各自的強度，使兩者共同受力，并且能有效解決薄壁型鋼易過早發生屈曲的問題[6]。研究表明，鋼-竹組合結構具有較好的力學性能和組合效應，并且延性好，耗能能力強，便于工業化生產，能滿足一般建筑物對承載力和抗震性能的要求，工程應用前景良好[7]。

本文作者所在課題組長期致力于鋼-竹組合結構的研究[8-16]，在梁構件部分，目前已經對鋼-竹組合工字形梁的力學性能和鋼-竹組合箱形梁的抗彎性能進行了探究[17-18]。本文作者共設計制作6根鋼-竹組合箱形梁進行受剪性能試驗，觀察記錄組合梁的受剪破壞過程、破壞形態、變形特征和抗剪承載力，并對組合梁抗剪性能的影響因素進行了分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

鋼-竹組合箱形梁試件主要控制參數為梁翼緣和腹板的竹膠板厚度、冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度和組合梁剪跨比。其中，組合梁翼緣和腹板的竹膠板厚度分別取20 mm和28 mm，U型鋼厚度均為1.75 mm，U型鋼截面尺寸(翼緣寬×腹板高)分別為42 mm×175 mm、52 mm×175 mm，組合梁剪跨比λ分別為1和0.75。試件編號為L-1～L-6，其長度均為1.22 m，計算跨度為1.0 m，組合梁具體參數詳見表1。

表1中，竹膠板厚tf/tw，tf為組合梁翼緣處竹膠板厚度，上下翼緣竹膠板厚度相同；tw為組合梁腹板處竹膠板厚度。剪跨比λ=a/h，a為集中力作用點至近端支座距離，h為組合梁梁高。如圖1所示，鋼-竹組合箱形梁由兩根冷彎薄壁U型鋼和4塊竹簾膠合板通過結構膠黏劑黏結而成，制作試件時，首先用電動打磨機除去冷彎薄壁U型鋼粘貼面鍍鋅層，直至金屬紋道均勻布滿整個粘貼面，用脫脂棉沾無水乙醇清潔鋼板粘貼面，以防粉塵浮于表面而影響貼面材料的充分接觸；與此同時用電動打磨機除去竹膠板外表面釉質層，并同樣將竹膠板粘貼面用沾有無水乙醇的脫脂棉清潔干凈。除塵完畢后進行粘膠，將預拌完畢的結構膠黏劑均勻施涂于薄壁型鋼粘貼面，與竹膠板黏結后用夾具固定，并用重物進行施壓固化，施壓2～3d，待膠層固化后養護7d。制作完成的試件如圖2所示。

表1 組合梁參數表

1.竹簾膠合板 2.冷彎薄壁U型鋼 3.結構膠黏劑膠黏4.夾具固定，養護成型圖1 鋼-竹組合箱形梁截面形式Fig.1 Section form of bamboo-steel box-section beam

圖2 鋼-竹組合箱形梁試件Fig.2 Specimens of bamboo-steel box-section beams

1.2 加載裝置及測試

加載試驗在寧波大學土木工程實驗室進行，裝置如圖3所示。試驗采用單調靜力分級加載方法，試件L-1由于截面較小，每級荷載為5 kN，其他試件每級荷載為10 kN。荷載通過與千斤頂相連的壓力傳感器測量。每級荷載加載完后持荷5 min，待試件應變和豎向撓度穩定后，再進行下一級加載。

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test set-up

為測得集中荷載作用下組合梁跨中截面應變變化，在梁腹板跨中橫截面處鋼板內表面等距黏貼5枚應變片，在上、下翼緣內外表面中點處對應黏貼1枚應變片。在集中力作用點偏支座處的純剪力區腹板鋼板內表面黏貼3枚應變花，以測得試件受剪時的剪切應變。在每個試件的跨中、支座、集中力作用點各布置1個位移計以測定組合梁在荷載作用下的豎向撓度，所有應變片及位移計數據均采用DH3816靜態應變測試系統采集。圖4為組合梁受剪試驗加載示意圖。

圖4 加載裝置示意圖Fig.4 Scheme of loading apparatus

2 試驗結果及分析

2.1 試件加載及破壞特征

試件L-1～L-6在荷載作用下產生豎向變形，從加載開始到荷載值接近約1/2極限荷載值時(即加載初期)，撓度隨荷載增加呈線性增大，試件加載過程中無明顯破壞現象和異常聲響；隨著荷載的逐級增加，撓度的增長速率開始加快，加載過程中出現竹膠板擠壓和張拉的“啪啪”聲；接近完全破壞時，試件出現竹膠板撕裂、掀起和鋼板屈曲變形及鋼板與竹膠板脫膠的現象。

L-1試件翼緣及腹板的竹膠板厚度均為20 mm，在所有試件中最小，從加載開始至荷載為45 kN時，每加5 kN荷載試件跨中撓度增長約0.26 mm，隨著荷載一級級增加，試件撓度呈線性增長。當荷載達到50 kN左右時，試件跨中撓度為2.84 mm，試件出現了輕微的“咯咯”聲，經分析應為竹膠板擠壓和張拉發出的聲音，在這個加載階段，隨著荷載的逐級增加，試件撓度的增長速率開始加快；荷載值接近75 kN時，試件發出“啪”的一聲聲響，經分析為竹膠板和冷彎薄壁型鋼之間的膠結面局部脫膠造成的。當荷載達到100 kN時，試件發出“啪啪”的響聲，荷載值不再上升，試件宣告破壞，破壞時，竹膠板存在局部擠壓變形(圖5(a))。L-2試件上下翼緣竹膠板厚度由L-1試件的20 mm變為28 mm，腹板竹膠板厚度仍為20 mm，當荷載達到120 kN左右時，試件L-2開始出現輕微的竹膠板擠壓和張拉聲；荷載接近130 kN時，試件發出“啪”的一聲聲響，經分析同試件L-1一樣為竹膠板和冷彎薄壁型鋼之間的膠結面局部脫膠造成的；荷載接近150 kN時，靠近支座處上翼緣竹膠板出現橫向裂紋，并且隨著荷載的加大發展和延伸；荷載接近180 kN時，試件另一邊靠近支座的腹板處冷彎薄壁型鋼開始發生屈曲變形；荷載達到200 kN時，無法繼續加大荷載，認為試件已經破壞(圖5(b))。L-3試件前后腹板竹膠板厚度由L-1試件的20 mm變為28 mm，翼緣竹膠板厚度仍為20 mm，當荷載達到60 kN左右時，試件L-3開始出現竹膠板的擠壓和張拉聲，跨中撓度為3.45 mm；荷載接近80 kN時，竹膠板的擠壓和張拉聲及膠結面局部范圍脫膠聲持續出現；荷載接近90 kN時靠近支座的下翼緣竹膠板出現裂紋，鋼板出現屈曲變形，裂紋隨著荷載增大發展延伸，鋼板的變形也逐步加大，與竹膠板之間的膠層明顯破壞，試件加載完畢極限荷載值達到130 kN(圖5(c))。L-4試件為組合截面尺寸最大的試件，極限荷載值達到260 kN，破壞時試件靠近支座的下翼緣竹膠板存在裂紋，鋼板屈曲變形，上翼緣鋼板和竹膠板脫膠分離，竹膠板翹起(圖5(d))。L-5試件與L-1試件相比，減小了冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度，竹膠板厚度未作變化，破壞時其下翼緣竹膠板存在斜向裂紋，鋼板屈曲變形，拱起與竹膠板脫膠分離(圖5(e))。L-6試件竹膠板厚度和截面尺寸均與L-5試件相同，組合梁剪跨比λ調整為0.75，其破壞時靠近支座處上翼緣竹膠板與鋼板間膠層破壞(圖5(f))，L-6試件極限荷載值為260 kN，較L-5試件有較大提升。

圖5 試件破壞現象Fig.5 Failure modes of specimens

試驗結果表明在較大剪力和彎矩共同作用下，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應明顯，竹膠板較好的變形能力有助于提高組合截面的穩定性，使兩種材料的強度得到充分利用。

2.2 抗剪性能試驗值

鋼-竹組合箱形梁受剪試驗主要試驗結果見表2。

表2 試驗結果

2.3 荷載-跨中撓度曲線

圖6為試件L-1～L-6荷載-跨中撓度關系曲線。通過對6根受剪試件的加載和破壞過程的觀察記錄以及對荷載-跨中撓度曲線的分析，可以總結出以下結論：鋼-竹組合箱形梁的破壞過程可分為兩個階段：從加載開始到荷載值接近約1/2極限荷載值時，撓度隨荷載增加呈線性增大，試件加載過程中無明顯破壞現象，此階段為彈性階段；當荷載值達到約1/2極限荷載值并繼續增加時，撓度的增長速率開始加快，加載過程中出現竹膠板擠壓和張拉以及膠結面局部范圍脫膠的“啪啪”聲，直至試件破壞，此階段為彈塑性階段。在組合梁臨近破壞時，其荷載-跨中撓度關系曲線并無明顯下降段，試件發生破壞后其荷載值仍保持在極限荷載值附近，可見組合梁試件延性良好。

圖6 荷載-跨中撓度關系曲線Fig.6 Load vs.mid-span deflection curves

通過比較試件L-2、L-3、L-4與試件L-1的加載及破壞過程可以得出以下結論：腹板和翼緣竹膠板厚度的增加可以有效地提高組合梁抗剪承載力。分別比較試件L-2和L-1，L-3和L-1，可見和腹板竹膠板厚度相比，組合梁翼緣竹膠板厚度的增加對提高其抗剪承載力的作用更加明顯。

L-5試件與L-1試件相比，減小了冷彎薄壁U型鋼的翼緣寬度，竹膠板厚度未作變化，其極限荷載值比試件L-1大，為200 kN，可見冷彎薄壁U型鋼翼緣寬度的適當減小同樣可以使組合梁的抗剪承載力有較大提高。L-6試件竹膠板厚度和截面尺寸均與L-5試件相同，組合梁剪跨比由1調整為0.75，極限承載力值由L-5的200 kN增加到260 kN，說明和鋼結構、鋼筋混凝土結構類似，減小剪跨比可以使鋼-竹組合箱形梁的抗剪承載力顯著提高。不同于鋼結構、鋼筋混凝土結構梁的是：鋼-竹組合箱形梁通過結構膠黏劑將竹材人造板與冷彎薄壁型鋼黏結組合在一起，因此在集中力作用點處(如支座附近)均出現了局部脫膠現象，這是由于結構膠層無法承受較大的剪應力，導致界面粘結力下降，進而影響了組合梁抗剪承載力，可見鋼-竹界面承載力對組合梁的抗剪性能同樣至關重要。

3 結論

(1)在較大剪力和彎矩共同作用下，鋼-竹組合箱形梁的整體工作性能十分良好、截面剛度大，冷彎薄壁型鋼和竹膠板組合效應明顯。

(2)組合梁試件破壞時，其下翼緣靠近支座處由于冷彎薄壁型鋼的屈曲和竹膠板的擠壓變形，此處的結構膠層常常因無法承受較大的剪應力和掀起力而發生脫膠。因此，可在此處打入自攻螺釘，形成結構膠與自攻螺釘共同作用的復合膠結型界面，以提高鋼-竹界面承載力，進而提高組合梁抗剪性能。

(3)組合梁腹板和翼緣竹膠板厚度的增加可以有效地提高其抗剪承載力，與腹板厚度相比，組合梁翼緣竹膠板厚度的增加對其抗剪承載力的影響更為明顯，適當減小冷彎薄壁型鋼翼緣寬度以及減小組合梁的剪跨比同樣可以提高組合梁的抗剪承載力。

(4)組合梁破壞過程可分為彈性階段和彈塑性階段，彈性階段末荷載值約為極限荷載值的1/2，具有良好的安全儲備，組合梁試件的破壞具有顯著的延性特征。

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Experimental Investigation on Shearing Behavior of BoxSection Bamboo-steel Composite Beams

He Jiawei，Li Yushun*，Li Ran，Lv Bo

(College of Architectural，Civil Engineering and Environment，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211)

The box section bamboo-steel composite beams were formed by steel skeleton which consisted of two pieces of cold-formed thin-walled U section steel and four pieces of bamboo plywood which were glued on the surface of the skeleton.Six specimens were tested to evaluate effects of bamboo plywood thicknesses of the flange and web of composite beams，width of steel flange and shear span ratio of composite beams.In order to explore the shearing behavior，strains and deflections of beams under different loads were tested and failure process and mechanism were analyzed.The results showed that overall performances of composite beams were excellent and the composite effect between steel and bamboo plywood was reliable.Increasing bamboo plywood thickness of the flange and web of composite beams could improve its ultimate shear capacity.Meanwhile，decreasing the shear span ratio of composite beams had the same effect.The research pointed out that the failure of composite beams had went through two stages，including the elastic stage and the elastic-plastic stage.This new ductile composite beam which had favorable security reserves could serve as bearing components in architectural engineering.

Composite beam；cold-formed thin-walled steel；bamboo plywood；shear span ratio；shearing behavior

2017-03-11

國家自然科學基金項目(51378265、51678310)

何佳偉，碩士研究生。研究方向：組合結構

*通信作者：李玉順，工學博士，教授。研究方向：組合結構。E-mail：lys0451@163.com

何佳偉，李玉順.鋼-竹組合箱形梁抗剪性能試驗[J].森林工程，2017，33(4)：98-102.

TU 366.1；TU 398

A

1001-005X(2017)04-0098-05