重組竹板增強(qiáng)膠合木梁研究

陳冠華 劉 琦 曾憲沂 周啟哲 洪浩凱 劉方舟

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

影響工程建設(shè)中結(jié)構(gòu)可靠性的重要因素即為工程材料，在我國，目前使用量最多的工程材料是鋼筋混凝土，但其自重較大、不可再生、重復(fù)利用率低。而木材是一種可再生材料，具有自重較輕、綠色環(huán)保、制作工藝簡單等優(yōu)勢。此外，層板膠合木材料克服了木材尺寸限制和利用率等問題，目前已被廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)中［1，2］。受木材天然缺陷的限制，普通膠合木梁發(fā)生彎曲破壞時受壓區(qū)基本不能達(dá)到木材的極限壓應(yīng)力，木材的抗壓強(qiáng)度得不到充分利用。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者不斷探索普通膠合木梁的增強(qiáng)方法，以提高其整體受彎性能［3］。竹材來源廣泛，制作工藝簡單。使用小徑級竹材纖維壓制而成的重組竹板，材料利用率較高、材質(zhì)均勻、抗拉性能優(yōu)越［4］，所以利用含有天然纖維的竹材對普通膠合梁進(jìn)行增強(qiáng)是一種低碳環(huán)保、切實(shí)可行的方法。綜上所述，將一定層板數(shù)量的重組竹板膠結(jié)在膠合木梁底部受拉區(qū)，將會顯著改善膠合木梁底部受拉區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到充分發(fā)揮木材抗壓強(qiáng)度，提高梁整體受彎性能的目的。

1 國內(nèi)外膠合木梁增強(qiáng)方法的研究現(xiàn)狀

與普通膠合木梁相比，增強(qiáng)后膠合木梁的性能有了較大的改善。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)，分別對用不同材料增強(qiáng)的膠合木梁進(jìn)行了研究，并對梁極限承載力、抗彎性能及增強(qiáng)后的裂縫開展和截面破壞形態(tài)等方面進(jìn)行了分析。楊會峰等［5］以楊木為原材料，對9 組共18 根FRP 增強(qiáng)膠合木梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)研究，通過分析試驗(yàn)構(gòu)件的破壞形式和破壞機(jī)理，對比未增強(qiáng)膠合木梁與增強(qiáng)后梁的抗彎剛度與極限承載力等參數(shù)，得出增強(qiáng)后楊木膠合木梁的受彎承載力能達(dá)到松木實(shí)木構(gòu)件的1.82 倍，充分利用了膠合木梁受壓區(qū)部分木材的抗壓強(qiáng)度，延緩了普通膠合木梁的受拉脆性破壞，提高了普通膠合木構(gòu)件的延性。陸偉東等［6］采用豎嵌CFRP 板條層板增強(qiáng)膠合木梁。結(jié)果表明，與未增強(qiáng)的膠合木梁相比，增強(qiáng)后試件的極限承載力和最大位移均有明顯提高;膠合木梁受壓區(qū)木材的抗壓強(qiáng)度隨著CFRP 板配筋率的增大而增大;降低了膠合木梁受拉區(qū)木材缺陷的影響，從而顯著提高了膠合木梁的延性性能。Camille A.Issa 等［7］對普通膠合木梁進(jìn)行了鋼板加固和碳纖維加固，并將這兩種加固后的梁與普通膠合木梁進(jìn)行對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，利用鋼板和碳纖維加固后，梁的極限承載能力有了顯著的提高，破壞形態(tài)也由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?。左宏亮等?］通過對在普通膠合木梁上粘貼不同層數(shù)玄武巖纖維復(fù)合材料的受彎試驗(yàn)，研究得出玄武巖纖維復(fù)合材料的存在使增強(qiáng)后膠合木梁的受彎性能有了顯著的增強(qiáng)效果。當(dāng)玄武巖纖維復(fù)合材料配量適中時，膠合木梁頂部受壓區(qū)木層板出現(xiàn)屈曲褶皺，構(gòu)件表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征，最終受拉區(qū)的層板被拉斷導(dǎo)致破壞。

綜上所述可知，以適當(dāng)?shù)姆绞皆谄胀z合木梁底部粘貼一定數(shù)量抗拉性能較好的材料后，可以顯著提高普通膠合木梁的極限承載力，彌補(bǔ)普通膠合木梁的缺陷，較大程度上發(fā)揮木材的抗壓強(qiáng)度，從而提高了整個梁的抗彎性能。可以看出，目前對膠合木梁增強(qiáng)的方法中，采用纖維材料的增強(qiáng)方法居多。雖然纖維材料輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)性好、抗拉強(qiáng)度高，但是它長期耐溫性差、易發(fā)生老化現(xiàn)象、不環(huán)保。

張俊珍等［9］以用慈竹制作的重組竹為研究對象，對比了重組竹與落葉松等木材的力學(xué)性能。結(jié)果表明，與落葉松等木材相比，重組竹材的順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度值均較高、穩(wěn)定性能好、順紋和橫紋的抗變形能力差別更小、表現(xiàn)出較好的延性。陳國等［10］關(guān)于膠合竹木工字梁受彎性能的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，竹材和木材作為兩種物理力學(xué)性能相近的材料，可以互相結(jié)合共同工作并滿足提高承載力的要求。通過對各種文獻(xiàn)資料的研究分析得知，以重組竹板作為受拉區(qū)對普通膠合木梁進(jìn)行增強(qiáng)是切實(shí)可行的。所以，利用以楠竹為原材料的重組竹板作為受拉區(qū)，以東北落葉松為原材料的木材作為受壓區(qū)，提出一種重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的實(shí)驗(yàn)思路。

2 重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的研究方案

參考借鑒相關(guān)文獻(xiàn)和資料，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方案:通過對重組竹板增強(qiáng)膠合木梁和普通膠合木梁極限承載力、破壞形態(tài)、延性性能和經(jīng)濟(jì)效益等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究重組竹板的增強(qiáng)作用和重組竹板層板數(shù)量變化對普通膠合木梁受彎性能的影響，并確定最佳重組竹層板數(shù)量。

2.1 木材和竹材抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

加工18 個重組竹材抗拉試件和18 個膠合木材抗拉試件，如圖1 所示。在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到木材和竹材的抗拉彈性模量和抗拉強(qiáng)度。

圖1 抗拉試件加工圖（單位：mm）

2.2 木材和竹材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，可加工18 個重組竹材棱柱體試件和18 個膠合木材棱柱體試件，如圖2 所示，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行受壓試驗(yàn)，得到木材和竹材的抗壓彈性模量和抗壓強(qiáng)度。

圖2 抗壓試件加工圖（單位：mm）

2.3 重組竹板增強(qiáng)膠合木梁受彎試驗(yàn)

制作4 組(每組3 根)受彎構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，所有構(gòu)件的尺寸均為2 850 mm×50 mm×150 mm(l×b×h)，層板厚度為25 mm，層數(shù)為6 層。其中有1 組普通膠合木梁作為試驗(yàn)對照，其余3 組均為重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，分別由1 層、2 層、3 層重組竹材和5 層、4 層、3 層?xùn)|北落葉松膠合而成，如圖3 所示。

圖3 膠合木梁試件加工圖（單位：mm）

根據(jù)GB/T 50329—2012 木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)采用兩點(diǎn)對稱的加載方式進(jìn)行加載，利用千斤頂施加豎向荷載，應(yīng)變片、位移計(jì)和靜態(tài)電阻應(yīng)變測試系統(tǒng)對膠合木梁的各測點(diǎn)應(yīng)變、撓度和豎向荷載進(jìn)行量測，加載設(shè)備和量測裝置見圖4。

圖4 加載設(shè)備和量測裝置示意圖

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析

通過以上試驗(yàn)，觀察重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的破壞現(xiàn)象和破壞形態(tài)，記錄極限承載力、撓度、應(yīng)變等參數(shù)。分析對比不同重組竹層板數(shù)量下重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的極限承載力、破壞形態(tài)、荷載位移曲線以及荷載應(yīng)變曲線等試驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)增強(qiáng)后膠合木梁的承載力提高幅度，以及重組竹板用量對普通膠合木梁受彎性能的影響，并結(jié)合成本造價，綜合考慮得出最優(yōu)竹板層數(shù)。

3 結(jié)語

1)重組竹材與木材相比順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度高，穩(wěn)定性能好，有出色的延性和變形能力，環(huán)保耐磨損。竹材和木材物理力學(xué)性能相近，可以互相結(jié)合共同工作。采用重組竹板作為受拉材料用于普通膠合木梁底部受拉區(qū)切實(shí)可行。

2)根據(jù)重組竹的優(yōu)越性能，提出了一種重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，并借鑒國內(nèi)外關(guān)于增強(qiáng)膠合木梁試驗(yàn)的研究方法，針對這種新型膠合木梁的性能和影響因素等方面的研究進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

3)在普通膠合木梁底部受拉區(qū)粘貼重組竹材料能夠使梁的承載力顯著提高，充分發(fā)揮受壓區(qū)木材的抗壓強(qiáng)度和受拉區(qū)重組竹的抗拉強(qiáng)度，提高梁的延性性能，彌補(bǔ)受拉區(qū)木材缺陷等問題帶來的影響，有利于梁抗彎性能的提高。

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