預(yù)應(yīng)力膠合木梁的受彎性能試驗(yàn)研究

林 誠(chéng)楊會(huì)峰，*劉偉慶陸偉東凌志彬郝建東

（1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210009；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

預(yù)應(yīng)力膠合木梁的受彎性能試驗(yàn)研究

林 誠(chéng)1楊會(huì)峰1，*劉偉慶1陸偉東1凌志彬2郝建東1

（1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210009；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

對(duì)21根膠合木梁的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中包括螺紋鋼筋增強(qiáng)、預(yù)應(yīng)力膠合木梁和未增強(qiáng)膠合木梁。通過試驗(yàn)分析了構(gòu)件的破壞形態(tài)與破壞機(jī)理，對(duì)比分析了不同構(gòu)件的極限荷載與抗彎剛度等受彎性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：增強(qiáng)或預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的破壞形式主要表現(xiàn)為受壓區(qū)屈服破壞；相比未增強(qiáng)膠合木梁，非預(yù)應(yīng)力鋼筋增強(qiáng)膠合木梁的受彎極限承載能力提高了14%，而預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)膠合木梁則提高了19%～50%；梁內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力配筋對(duì)構(gòu)件的物理剛度貢獻(xiàn)不大；在木梁受壓區(qū)配置適當(dāng)?shù)姆穷A(yù)應(yīng)力鋼筋，能進(jìn)一步提高其結(jié)構(gòu)性能。

膠合木梁，預(yù)應(yīng)力，試驗(yàn)研究，受彎性能

1 引 言

膠合木梁的彎曲破壞形態(tài)大受是受拉脆性破壞，木材強(qiáng)度尤其是其抗壓強(qiáng)度利用率不足。為改善和提高膠合木梁的受彎性能，學(xué)者不斷嘗試和探索利用金屬材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）等對(duì)膠合木梁進(jìn)行增強(qiáng)［1-4］，并取得了較好的效果。然而經(jīng)增強(qiáng)后的膠合木梁依然存在如下問題：①增強(qiáng)材料價(jià)格較高，且其高強(qiáng)度通常得不到充分利用；②木梁的承載能力主要受變形控制，增強(qiáng)后木梁的剛度雖有提高，但依然存在變形大的問題。鑒于此，有學(xué)者開始研究利用預(yù)應(yīng)力對(duì)膠合木梁進(jìn)行增強(qiáng)。

20世紀(jì)中期，Bohanna［5］和Person［6］提出利用對(duì)金屬材料施加預(yù)應(yīng)力的方法來增強(qiáng)膠合木梁；Saucier和Holman［7］采用預(yù)應(yīng)力FRP來增強(qiáng)木構(gòu)件。Triantafillo［8］、Dolan［9］、Brunner［10］和Vincenzo［11］等分別通過試驗(yàn)研究，分析了預(yù)應(yīng)力材料、預(yù)應(yīng)力施加方法等對(duì)膠合木梁受彎性能的影響。研究表明：施加預(yù)應(yīng)力不僅可提高膠合木梁的承載能力、改善其剛度性能，還可使木梁的破壞形態(tài)從受拉脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌貉有云茐?。Pevris［12］、Brunner［13］、Moayyed［14］利用數(shù)值模擬方法研究施加預(yù)應(yīng)力對(duì)膠合木梁的影響，還對(duì)其預(yù)應(yīng)力損失問題進(jìn)行了較深入的研究。Guan［15］、Anshari［16］、Valiqour［17］采用有限元方法研究多個(gè)參數(shù)對(duì)其受彎性能的影響。綜上所述，通過對(duì)膠合木梁施加預(yù)應(yīng)力，可有效提高其受彎性能，并可提高材料的利用率。

本文將通過試驗(yàn)研究，探討預(yù)應(yīng)力膠合木梁的受力機(jī)理，分析其破壞形態(tài)，研究其極限承載力和剛度等短期結(jié)構(gòu)性能。為預(yù)應(yīng)力膠合木在大跨木結(jié)構(gòu)建筑及橋梁結(jié)構(gòu)中的加工設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 材料性能

木梁采用花旗松膠合木，預(yù)應(yīng)力鋼筋為精軋螺紋鋼筋，受壓區(qū)鋼筋與膠合木之間膠粘劑采用雙組份環(huán)氧樹脂植筋膠。材料的物理力學(xué)性能見表1和表2，其中膠合木與鋼筋的數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)獲得，膠合木抗拉強(qiáng)度為其中的指接層板試驗(yàn)數(shù)據(jù)；預(yù)應(yīng)力鋼筋和膠粘劑的力學(xué)性能由生產(chǎn)單位提供，表中所有數(shù)據(jù)均為平均值。

表1 材料的物理力學(xué)性能Table 1 M aterial properties

表2 鋼筋的物理力學(xué)性能Table 2 Material properties of steel bars

2.2 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)6組共21根膠合木梁，試件截面尺寸均為75 mm×300 mm×6 000 mm，試件截面形式如圖1所示，具體試件參數(shù)見表3。

圖1 梁截面形式Fig.1 Beam section types

表3 試件參數(shù)Table 3Details of tested beam s

2.3 試驗(yàn)加載裝置與量測(cè)方案

試驗(yàn)裝置如圖2所示，采用三分點(diǎn)加載，且采取了防止側(cè)向失穩(wěn)的措施；在支座及跨中設(shè)置3個(gè)位移計(jì)，錨固端設(shè)置20 t壓力傳感器，在梁跨中側(cè)面沿高度均勻設(shè)置應(yīng)變片。預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)主要測(cè)試預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變和木梁反拱值。試驗(yàn)加載時(shí)主要測(cè)試構(gòu)件的撓度值、極限荷載、跨中截面應(yīng)變值、預(yù)應(yīng)力鋼筋及普通鋼筋應(yīng)變。加載時(shí)采用位移控制連續(xù)加載方式，所有測(cè)量數(shù)據(jù)均由3 816 N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)同步采集。

表4 各組試件破壞形態(tài)及破壞機(jī)理Table 4 Failuremodes and failuremechanism of the beams

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test set up

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)與破壞機(jī)理

在膠合木梁受拉區(qū)設(shè)置增強(qiáng)材料，可使木梁受壓區(qū)木材得到充分利用，而其破壞形態(tài)也發(fā)生相應(yīng)變化，從原來的受拉區(qū)木材脆性破壞變成可預(yù)計(jì)的受壓延性破壞。而對(duì)增強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，可通過反拱形式進(jìn)一步減小木梁的變形。各類構(gòu)件的詳細(xì)破壞形態(tài)及破壞機(jī)理見表4和圖3。

圖3 破壞形態(tài)Fig.3 Failuremodes

3.2 荷載位移曲線

圖4給出了各組試件的荷載－跨中位移曲線，圖5為各組代表試件的典型荷載位移曲線對(duì)比圖。由圖可知，經(jīng)預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件的極限承載力得到了較大提高，而增強(qiáng)及預(yù)應(yīng)力木梁的延性性能也得到顯著提高。

圖4 荷載-跨中位移曲線Fig.4 Load-deflection curves

3.3 結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析

圖6對(duì)各組試件的極限承載力和抗彎剛度（平均值）做了詳細(xì)對(duì)比，由圖可知：非預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件的極限承載能力比未增強(qiáng)構(gòu)件提高了14%，剛度提高了11%；預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件的極限承載力相比未增強(qiáng)構(gòu)件提高了19%～50%，但剛度提高幅度不大。預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件相比非預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件極限承載力提高了4%～31%。若在構(gòu)件的受壓邊配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋，構(gòu)件極限承載力會(huì)進(jìn)一步提高，如試件P4比試件P1承載能力高15.4%，剛度提高14.6%。

圖5 代表性試件的荷載-跨中位移曲線Fig.5 Load-deflection curves of the typical specimens

圖6 各組構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能對(duì)比Fig.6 Comparison of structural performances of different test groups

若按照木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在圖4中按照撓度限值［w］＝l／250進(jìn)行承載力界定，則在跨中位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求撓度限值時(shí)，預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件的極限承載力，相比未增強(qiáng)構(gòu)件提高了47%～78%，相比非預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件提高了30%～58%。

4 結(jié) 論

經(jīng)鋼筋增強(qiáng)或施加預(yù)應(yīng)力后，膠合木梁的極限承載力和抗彎剛度等結(jié)構(gòu)性能得到了顯著提高。預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件還具有能夠充分利用高強(qiáng)增強(qiáng)材料、減小使用過程中木梁變形等優(yōu)點(diǎn)。因此，預(yù)應(yīng)力膠合木在木結(jié)構(gòu)中具有良好的發(fā)展前景。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

（1）增強(qiáng)及預(yù)應(yīng)力鋼筋避免或延緩了膠合木梁的受拉脆性破壞，降低了木材缺陷對(duì)受彎性能的影響，取代以延性的受壓屈服破壞形式；

（2）充分利用了木材的抗壓強(qiáng)度并提高了構(gòu)件的延性性能，預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件的極限承載力相比未增強(qiáng)構(gòu)件提高了19%～50%；而預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件相比非預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)構(gòu)件極限承載力提高了4%～31%；

（3）若在構(gòu)件的受壓邊配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力木梁的極限承載力和抗彎剛度均會(huì)得到再提高；

（4）本文研究表明，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與木梁變形協(xié)調(diào)性能稍差，建議今后采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力工藝；

（5）蠕變對(duì)木梁結(jié)構(gòu)性能及預(yù)應(yīng)力損失均有影響，后續(xù)研究中尚需開展預(yù)應(yīng)力膠合木梁的蠕變性能研究。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB／T 50708—2012膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB／T 50708—2012 Technical code of glued laminated timber structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2012.（in Chinese）

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Experimental Study on the Flexural Behavior of Prestressed Glulam Beams

LIN Cheng1YANG Huifeng1，*LIUWeiqing1LUWeidong1LING Zhibin2HAO Jiandong1
（1.College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A total of21 glued laminated timber（glulam）beamswere tested to failure to determine the flexural behaviors，which includes deformed steel bar reinforced beams，prestressed glulam beams and unreinforced control glulam beams.Through the experimental work，the failure modes and failure mechanism were discussed.The ultimate load and the flexural stiffness were compared with those of unreinforced control beams.The test results showed that the typical failuremode is the timber yield failure in compressive zone.Compared to the unreinforced control glulam beams，the ultimate load of deformed steel bar reinforced beams increased by 14%and the ultimate load of the prestressed glulam beams increased by 19%～50%.The introduction of the unbounded prestressing tendons has no obvious influence on the physical stiffness of glulam beams.Moreover，itwas found that themoderate reinforcement in compressive zonemay make further improvement on the structural performance of glulam beams.

glulam beam，prestressed，experimental study，flexural behavior

2013－04－22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012AA03A204）

*聯(lián)系作者，Email：yhfbloon＠163.com