長期荷載作用下鋼-竹組合樓板的力學(xué)性能

周佳如，李玉順，王嘉琳，張家亮，童科挺

(寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

人類的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，堅持保護(hù)自然就是造福人類，日趨嚴(yán)峻的環(huán)境問題不斷推動科研工作者對環(huán)保型建筑材料[1-5]的研究。與此同時，我國是世界上竹資源極豐富的國家之一，而竹材又具有生長周期短、輕質(zhì)高強(qiáng)[2]等優(yōu)勢，因地制宜地將這種生態(tài)建材應(yīng)用于建筑材料，符合人與自然和諧發(fā)展的理念。鋼-竹組合構(gòu)件以冷彎薄壁型鋼與改性竹材為主要材料，通過結(jié)構(gòu)膠或增設(shè)緊固件將兩種材料有效組合，鋼與竹的組合克服了傳統(tǒng)建筑材料因自重大帶來的弊端，也克服了單一的竹材制作截面形式不靈活的弱點，充分發(fā)揮了材料各自的力學(xué)性能特點。

目前，寧波大學(xué)課題組已系統(tǒng)地對鋼-竹組合梁、組合柱和組合墻體等鋼-竹組合構(gòu)件進(jìn)行了短期荷載作用下的力學(xué)性能研究[6-10]，結(jié)果表明，鋼-竹組合構(gòu)件具有良好的承載能力、抗震性能和保溫性能，具備面向現(xiàn)代化工程領(lǐng)域發(fā)展的潛力。而在實際工程中推行鋼-竹組合構(gòu)件必然少不了對組合構(gòu)件長期受力性能的研究。基于此，本文通過對鋼-竹組合樓板施加長達(dá)6個月的荷載，觀測其在長期荷載作用下的變形發(fā)展規(guī)律；研究鋼-竹組合樓板在長期荷載下?lián)隙入S時間的變化規(guī)律及兩種材料應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律；通過理論推導(dǎo)，提出蠕變效應(yīng)下長期剛度的建議公式和跨中撓度計算方法；最后通過二次抗彎試驗與短期抗彎試驗對比，得到長期荷載作用后鋼-竹組合樓板承載力的衰減程度。

1 試驗概況

1.1 試件的設(shè)計與制作

1.1.1 組合樓板的設(shè)計

合理設(shè)計鋼-竹組合樓板為結(jié)構(gòu)試驗中關(guān)鍵的工作，會直接影響試驗的進(jìn)程和鋼-竹組合樓板的應(yīng)用。本文設(shè)計并制作了4塊鋼-竹組合樓板，試件編號依次為B1—B4，其截面形式如圖1所示。試件由上下兩塊竹膠板和兩根用竹板條側(cè)邊加固的冷彎薄壁C型鋼組成，并用竹條板在竹膠板側(cè)邊作封邊固定。

試件的規(guī)格、厚度和緊固方式等見表1。試件平面尺寸：長×寬為2 300 mm×600 mm，跨度為2 100 mm。對B1、B2兩塊試件直接進(jìn)行短期抗彎試驗，作長期荷載試驗的對照試驗，對B3、B4兩塊試件進(jìn)行長期荷載試驗，研究長期荷載作用下鋼-竹組合樓板的變形發(fā)展和剛度變化。

圖1 鋼-竹組合樓板試件截面形式

Fig.1 Sectional form of Steel-Bamboo composite slabs

表1 鋼-竹組合樓板的截面參數(shù)

注：型鋼截面尺寸下面對應(yīng)的數(shù)據(jù)為：高×寬×卷邊長度×厚度。

Note：The Steel Dimension is height and width and flange length and thickness respectively.

1.1.2 組合樓板的制作

(1)用手提切割工具切割竹膠板，獲得8塊尺寸為：長2 300 mm，寬600 mm,厚度為10 mm的竹膠板；24塊尺寸為長2 300 mm，寬600 mm,厚度為19 mm的側(cè)翼竹板條。再用磨光機(jī)將竹膠板和薄壁冷彎C型鋼的粘結(jié)面打磨平整。

(2)先將兩塊厚度為19 mm的竹板條用膠合劑粘結(jié)在冷彎薄壁C型鋼的兩側(cè)，粘結(jié)后的組合體用重物按壓并放置一周，再將兩塊組合體對稱布置在厚度為10 mm的上下兩塊竹膠板之間，并作粘結(jié)和封邊工作，最后用重物對鋼-竹組合樓板加壓3 d，在壓力施加不到的地方用木工固定夾固定，固化養(yǎng)護(hù)7 d，用同樣的方法制作其余的試件。

(3)用自攻螺釘機(jī)將螺釘打入B1、B3試件，螺釘間距為300 mm(圖2)，B2、B4試件不設(shè)置緊固件。

(4)對鋼-竹組合樓板的材料表面進(jìn)行去氧化層處理，用醮有無水乙醇的脫脂棉在目標(biāo)位置擦拭干凈，再用502膠水粘貼應(yīng)變片。粘貼好以后，將應(yīng)變片與電線焊接，用靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)。

圖2 B1和B3試件示意圖

1.2 材性測試

試件以冷彎薄壁C型鋼與竹膠板為主要材料，冷彎薄壁C型鋼是專業(yè)的鋼材加工企業(yè)對鍍鋅鋼板冷彎加工制成，具有良好的力學(xué)性能，竹膠板為單向板，在大型的竹膠板廠家訂制。在推出長期荷載試驗前，參考GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》[11]和GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]，分別對同批次的兩種材料進(jìn)行材性試驗以獲得后續(xù)所需的材料力學(xué)參數(shù)，實測結(jié)果見表2和表3。

表2 冷彎薄壁型鋼的力學(xué)性能

表3 竹膠板的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of bamboo plywood

1.3 加載方案

對于樓板的抗彎試驗[13-15]一般有兩種加載方法：直接施加均布荷載和用幾個集中力等效均布荷載。鑒于長期荷載試驗加載時間較長，不可能長時間占用設(shè)備，其次，長期荷載試驗的加載值不大，故試驗采用直接施加均布荷載。采取散狀材料(河沙)對試件施加均布荷載，先將河沙全部盛入編織袋內(nèi)并稱得重量，然后將沙袋均勻地分層放置在樓板的上表面，如圖3所示。試驗配備了應(yīng)變測量裝置、位移測量裝置，對鋼-竹組合樓板的撓度和跨中應(yīng)變進(jìn)行測量。本文對鋼-竹組合樓板長期荷載試驗施加值的確定是依據(jù)其正常使用極限狀態(tài)下荷載值的50%來進(jìn)行初步設(shè)計。

圖3 長期荷載加載方案Fig.3 Loading method of long-term load

長期荷載試驗后的二次抗彎試驗以及短期抗彎試驗采用二集中力三分點法，因為抗彎試驗的加載值大，堆載不再適用，試驗采用千斤頂以集中力的形式將豎向荷載傳遞到組合樓板上(圖4)，試件兩端均為簡支，試驗的加載程序采用逐級施加荷載的辦法，每級為5 kN。

圖4 組合樓板抗彎試驗加載方案Fig.4 The bending test plan of composite slabs

2 試驗結(jié)果

試驗選在寧波大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室內(nèi)正常使用環(huán)境下進(jìn)行，模擬樓板的正常工作環(huán)境，室內(nèi)溫濕度變化不大，經(jīng)過長達(dá)6個月的變形觀測和數(shù)據(jù)記錄，分析鋼-竹組合樓板的撓度隨時間變化的規(guī)律以及型鋼和竹膠板的應(yīng)變隨時間變化的規(guī)律，對比二次抗彎試驗和短期抗彎試驗的結(jié)果。

2.1 跨中撓度-持載時間關(guān)系曲線

圖5為鋼-竹組合樓板在長期荷載作用下?lián)隙?持載時間關(guān)系曲線。由圖5(a)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，有無緊固件并不影響試件撓度的總體發(fā)展趨勢。在荷載施加初期，試件的撓度變化較大，撓度增長速率也較大，隨著持載時間的增長，撓度增長速率逐漸減小，在45～60 d撓度增長速率明顯降低，最后撓度增長速率趨于零。

兩塊試件的總撓度均小于GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對受彎構(gòu)件撓度的限值(l0/250=8.4mm)，其原因分析如下：首先試件的應(yīng)力水平較小，長期荷載施加值基于試件的正常使用極限承載力確定，相比鋼-竹組合樓板的極限承載力還有較大發(fā)展空間；其次，冷彎薄壁C型鋼的剛度大，能夠有效抑制竹材變形。

在圖5中，比較試件B3與B4，可以發(fā)現(xiàn)前者的初期撓度增長速率與變形量皆小于后者，并且前者的撓度發(fā)展有緩慢增長的過程，說明緊固件能提高試件的承載力，減緩撓度發(fā)展；但試件的總撓度值在同一個數(shù)量級內(nèi)，差別不大。表明在正常使用范圍內(nèi)，有無緊固件對鋼-竹組合樓板的使用沒有明顯影響。綜上所述，在整個撓度變化范圍內(nèi)，兩塊鋼-竹組合樓板均表現(xiàn)出良好的線彈性性能和工作性能。

圖5 撓度-持載時間曲線

2.2 跨中應(yīng)變-持載時間關(guān)系曲線

圖6為鋼-竹組合樓板的型鋼和竹膠板的應(yīng)變隨時間變化的曲線。其中，橫坐標(biāo)上側(cè)為上翼緣型鋼應(yīng)變變化曲線和上翼緣竹膠板應(yīng)變變化曲線，橫坐標(biāo)下側(cè)為下翼緣型鋼應(yīng)變變化曲線和下翼緣竹膠板應(yīng)變變化曲線。

圖6 應(yīng)變-持載時間曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，試件在荷載施加初期應(yīng)變量較大，應(yīng)變速率也較大，隨著持載時間的增長應(yīng)變增長速率減小，在45～60 d應(yīng)變曲線斜率明顯降低，在100 d后趨于平穩(wěn)，最后應(yīng)變增長速率趨向于零，應(yīng)變趨向于一個穩(wěn)定值。

比較試件B3與B4可知，在荷載施加初期，前者的應(yīng)變值與應(yīng)變率小于后者，這說明緊固件可以減小鋼-竹組合樓板的變形和變形速率；但B3、B4試件最終應(yīng)變值在同一數(shù)量級內(nèi)，說明有無緊固件對長期荷載下的鋼-竹組合樓板的總應(yīng)變并沒有明顯影響。

由圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，型鋼和竹膠板應(yīng)變-持荷時間曲線變化趨勢基本一致，吻合度良好，并且上、下翼緣的型鋼與竹膠板的應(yīng)變-持荷時間曲線基本對稱，說明鋼-竹組合樓板在現(xiàn)有的制作工藝下粘結(jié)可靠，在彈性工作階段截面材料應(yīng)變特征基本一致，具有良好的整體性能。

2.3 二次抗彎試驗的對比結(jié)果

鋼-竹組合樓板在長期荷載作用6個月后，進(jìn)行二次抗彎試驗，表4給出了二次抗彎試驗和短期抗彎試驗極限承載力的具體數(shù)據(jù)。分析可知：長期荷載作用后的鋼-竹組合樓板極限承載力衰減程度較低，約為7%，說明長期荷載作用后鋼-竹組合樓板仍有較大的強(qiáng)度發(fā)展空間，但出于對鋼-竹組合樓板的安全性考慮，建議設(shè)計時將極限承載力的衰減值取為10%；比較B1與B2、B3與B4兩組承載能力可得，鋼-竹組合樓板在緊固件的作用下承載能力有顯著提升。綜上所述，此種鋼-竹組合樓板具有良好的承載力和剛度，滿足建筑結(jié)構(gòu)對樓板的設(shè)計要求，具有面向現(xiàn)代化工程領(lǐng)域發(fā)展的潛力。

表4 組合樓板極限承載力對比

3 理論分析

3.1 剛度計算

3.1.1 初始抗彎剛度

試驗結(jié)果表明，鋼-竹組合樓板在正常使用階段型鋼和竹膠板粘結(jié)可靠，具有良好的整體性能，兩種材料應(yīng)變特征基本一致，可按疊加原理進(jìn)行剛度計算，將組合樓板換算成純鋼構(gòu)件[14]。

E0I0=Es1I01+Es2I02。

(1)

式中：E0I0為鋼-竹組合樓板的初始抗彎剛度；ES1I01、ES2I02分別為竹膠板和型鋼換算后的初始抗彎剛度。

3.1.2 蠕變系數(shù)

為研究竹膠板蠕變[15-18]對鋼-竹組合樓板在長期荷載作用下?lián)隙茸兓蛣偠茸兓挠绊懀疚囊肴渥兿禂?shù)kr，將鋼-竹組合樓板在長期荷載作用下的總撓度與外荷載施加產(chǎn)生的瞬時撓度比值定義為蠕變系數(shù)[16-17]。即：

(2)

式中：kr為蠕變系數(shù)；lt為總撓度，mm；le為瞬時撓度,mm。

兩塊鋼-竹組合樓板的蠕變系數(shù)見表5。分析表5中數(shù)據(jù)可知，有緊固件的試件蠕變系數(shù)稍小于無緊固件的試件，這是由于緊固件提高了試件的承載力，試件總撓度減小；但是蠕變系數(shù)相差不大，說明有無緊固件對試件的蠕變系數(shù)影響不大。

表5 蠕變系數(shù)

3.1.3 長期剛度

我國GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中尚未給出長期剛度公式，但借鑒GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中考慮荷載長期作用下受彎構(gòu)件的剛度計算公式，提出鋼-竹組合樓板的長期剛度建議公式：

B=MkE0I0/[Mq(kr-1)+Mk] 。

(3)

式中：B為鋼-竹組合樓板的長期剛度；E0I0為鋼-竹組合樓板的初始抗彎剛度；Mk為荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算彎矩；Mq為荷載準(zhǔn)永久組合計算彎矩；kr為蠕變系數(shù)。

根據(jù)公式(3)計算鋼-竹組合樓板的長期剛度，結(jié)果見表6。其中，ES1I1、ES2I2分別為竹膠板和型鋼換算后的長期剛度；EIx為蠕變效應(yīng)下鋼-竹組合樓板的長期剛度。

表6 蠕變效應(yīng)下組合樓板的剛度結(jié)果

3.2 撓度計算

考慮到竹膠板的蠕變是影響試件長期剛度的主要因素，并按照結(jié)構(gòu)力學(xué)中的計算方法，推出長期荷載作用下的撓度計算公式：

(4)

式中：q為均布荷載,N/mm；l為組合樓板的跨度,mm；EIx為蠕變效應(yīng)下試件的長期剛度,N·mm2。

根據(jù)公式(4)可得鋼-竹組合樓板在長期荷載作用下的變形理論值，再與變形試驗值作比較，結(jié)果見表7。

分析表7可知，長期荷載作用下鋼-竹組合樓板的變形試驗值與理論值吻合度較高，說明可將此長期撓度公式作為實際變形值的預(yù)測公式；由于緊固件的作用，減小了鋼-竹組合樓板剛度衰減程度，故B3的變形理論值較B4更接近變形試驗值；長期荷載試驗下試件的變形試驗值不大，說明鋼-竹組合樓板在現(xiàn)有的制作工藝下，有良好的承載力和剛度，在正常使用階段不會發(fā)生太大的變形。

表7 長期變形理論值及長期變形試驗值

4 結(jié)論

通過對長期荷載作用下鋼-竹組合樓板的變形觀測和對卸載后試件的二次抗彎試驗，研究鋼-竹組合樓板的整體工作性能和承載能力變化，主要結(jié)論如下。

(1)竹膠板和冷彎薄壁C-型鋼通過結(jié)構(gòu)膠或增設(shè)緊固件組合成鋼-竹組合樓板，是一種新式組合結(jié)構(gòu)，具有較大的強(qiáng)度和剛度，其截面形式充分發(fā)揮了兩種材料的力學(xué)性能特點。

(2)試件在長期荷載作用下發(fā)生了蠕變，但蠕變值不大。緊固件能減緩蠕變的發(fā)展，并且略微減小蠕變值，但在正常使用范圍內(nèi)，有無緊固件對鋼-竹組合樓板的使用沒有明顯影響。

(3)型鋼和竹膠板在長期荷載作用下的應(yīng)變值不大，并且兩種材料的應(yīng)變-持載時間曲線變化趨勢基本一致，吻合度良好，說明了鋼-竹組合樓板在現(xiàn)有制作工藝下粘結(jié)可靠，具有良好的整體性能。

(4)長期荷載作用后的鋼-竹組合樓板在抗彎試驗中會稍提前進(jìn)入塑性階段，極限承載力產(chǎn)生了約為7%的衰減，衰減程度不大，說明了此種鋼-竹組合樓板具備面向工程領(lǐng)域發(fā)展的潛力。

(5)根據(jù)初始抗彎剛度和蠕變系數(shù)提出了蠕變效應(yīng)下鋼-竹組合樓板長期剛度建議公式和撓度計算方法，用該計算方法可得到較可靠的撓度預(yù)測值。