定向刨花板加固腹板開洞竹木工字梁力學(xué)性能研究

陳 國，于云飛，李 祥，何 彬，鄭乃浩，趙 歡

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定向刨花板加固腹板開洞竹木工字梁力學(xué)性能研究

陳 國，于云飛，李 祥，何 彬，鄭乃浩，趙 歡

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037）

為研究定向刨花板（oriented strand board，OSB）加固腹板開洞的竹木工字梁的力學(xué)性能，揭示其受力破壞機(jī)理。以孔徑與腹板高度的比值（/w）和補(bǔ)強(qiáng)板型為參數(shù)，制作并測試了42根竹木工字梁，考察測試過程中的破壞形態(tài)、彎曲變形性能，分析各因素對工字梁力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)孔徑較?。?w≤25%）時(shí)，試件的破壞形態(tài)以翼緣內(nèi)OSB層裂和腹板剪切破壞為主，孔洞對開洞梁承載力和剛度的影響較小，可忽略不計(jì)。當(dāng)孔徑較大（/w>25%）時(shí)，破壞形態(tài)以洞口周邊受拉和受壓破壞為主，隨著孔洞直徑增加，孔洞的不利影響愈發(fā)明顯，開洞梁的承載能力呈下降趨勢，但對梁的剛度影響較小。OSB補(bǔ)強(qiáng)板能有效約束孔角裂縫開展，加固后的開洞梁的開裂荷載、正常使用極限狀態(tài)荷載和承載能力極限狀態(tài)荷載較未加固開洞梁明顯提高，平均提高52.9%、12.1%和28.2%。但OSB補(bǔ)強(qiáng)板對開洞梁抗彎剛度的改善作用不明顯，平均提高僅為11.5%。承載力和剛度的提高幅度與補(bǔ)強(qiáng)板類型密切相關(guān)，其中，套環(huán)定向刨花板（collar oriented strand board，C-OSB）增強(qiáng)效果最好、雙U型定向刨花板（two U shaped oriented strand board，TU-OSB）次之，U型定向刨花板（U shaped oriented strand board，U-OSB）最差。C-OSB適合于管道施工前對開洞梁進(jìn)行加固，而U-OSB和TU-OSB適合加固/w不大于75%的開洞梁。粘貼OSB加固開洞竹木工字梁是一種有效的加固方法。

荷載；竹；木；定向刨花板；加固；工字梁；腹板開洞；破壞機(jī)理

0 引 言

中國的竹資源的種植面積和加工利用水平居世界前列，竹子作為一種環(huán)保型的新型建材，具有成材周期短、力學(xué)性能穩(wěn)定以及可再生等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，在建筑領(lǐng)域一直都有應(yīng)用[7-13]。定向刨花板（oriented strand board，OSB）主要以小徑材和速生間伐材等為原料，用刨片機(jī)刨削成長40~120 mm，寬5~20 mm，厚0.3~0.7 mm的木片，經(jīng)干燥、施膠、定向鋪裝和熱壓而成的一種結(jié)構(gòu)板材，被廣泛應(yīng)用于歐美國家的木工字梁腹板材料、樓（屋）面板和墻面板[14-16]。將竹材和OSB有機(jī)組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，通過膠粘劑和釘子連接，組成竹木組合梁構(gòu)件[17-18]。

在工業(yè)建筑和民用建筑中，在梁腹板上開洞供通風(fēng)管道、給排水管道和電路系統(tǒng)穿行是增大房屋凈高及降低工程造價(jià)的有效途徑。已有研究表明孔洞尺寸是影響開孔梁承載力、剛度和破壞形態(tài)的關(guān)鍵因素[19-21]，隨著開洞高度和長度的加大，開孔梁的抗剪承載力和剛度將顯著下降。Zhu等[20]則認(rèn)為腹板開洞后，洞口削弱了腹板的有效截面并改變了腹板內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，孔角應(yīng)力集中也使得裂縫過早產(chǎn)生，組合梁的受力性能和破壞機(jī)理也將隨之發(fā)生改變。腹板開孔梁不僅在剪力或彎矩最大值處可能發(fā)生破壞，也可能在開孔處發(fā)生破壞，若處理不當(dāng)，極易引發(fā)工程事故。盡管ASTM D5055（2010）以及GB/T 50772-2012《木結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》規(guī)定了木工字梁腹部的開洞位置和孔洞尺寸，卻未曾涉及竹木工字梁。

在以往的實(shí)際工程中，由于開洞導(dǎo)致承載力不足的木梁通常用直接替換法進(jìn)行維修，但直接替換法必須移除已有的管道設(shè)施并且可能引起其余與之相連構(gòu)件的損壞。竹梁和木梁抗彎加固方法包括粘貼FRP[22-24]、竹板[25]、鋼板[26-27]和OSB[28]等。盡管粘貼FRP加固法可以有效提高梁的極限承載力，但對抗彎剛度的增強(qiáng)效果不明顯，且FRP造價(jià)較高。Morrissey等[27]采用在孔洞上、下方的腹板處粘貼角鋼的方法加固開孔木工字梁，結(jié)果表明，加固后的木梁試件的初始彎曲剛度較對比試件均有較大提高，但粘鋼法并不適合加固孔洞直徑較大的梁。Polocoser等[28]進(jìn)行了OSB板加固開洞木工字梁的試驗(yàn)研究，由于OSB板能有效約束孔角裂縫開展，使加固木工字梁的受彎承載力和剛度明顯提高。國內(nèi)外對開洞梁加固的研究仍存在以下問題：1）較少對OSB作為加固件的性能進(jìn)行研究，以往的研究主要集中在FRP、和鋼板等加固方式；2）在竹木工字梁的施工和使用過程中，施工方或業(yè)主有時(shí)會(huì)在未征詢結(jié)構(gòu)工程師的前提下違規(guī)開設(shè)洞口布置管道。已有研究均針對開洞梁未施工前進(jìn)行加固，而實(shí)際工程中往往出現(xiàn)樓板梁和管道設(shè)備安放到位后再被開洞，此時(shí)采用現(xiàn)場加固法而不必移除管道顯得尤為重要。

為研究OSB板加固的腹板開洞竹木組合工字梁的承載能力、剛度、韌性和破壞機(jī)理等，對42根竹木工字梁開展試驗(yàn)研究，并據(jù)此提出相應(yīng)的結(jié)論和建議，為此類開孔梁的維修加固提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料性能

竹集成材（laminated bamboo lumber，LBL）翼緣采用的竹種為毛竹，產(chǎn)自湖南省桃江縣，竹齡為4a。新鮮大徑毛竹經(jīng)刨削、干燥、蒸煮、炭化、涂膠和熱壓等工序加工成25 mm×35 mm×2 440 mm的翼緣，由東莞湘楠竹木制品有限公司提供。OSB是以速生意楊為原料，經(jīng)干燥、施膠、定向鋪裝和熱壓而成的一種結(jié)構(gòu)板材。腹板、加固用補(bǔ)強(qiáng)板和襯板均為同批次的OSB，厚度均為9 mm，由湖北寶源木業(yè)有限公司提供。材性試驗(yàn)參照《木材含水率測定方法》GB/T 1931-2009和ASTM D 143-14進(jìn)行，竹集成材和OSB的各項(xiàng)物理力學(xué)性能可通過含水率試驗(yàn)（20 mm×20 mm×20 mm）、拉伸試驗(yàn)（9 mm×9 mm× 450 mm）和壓縮試驗(yàn)（50 mm×50 mm×200 mm）獲得。實(shí)測結(jié)果參見表1，表中的數(shù)值為平均值。

表1 竹集成材和定向刨花板物理力學(xué)性能

試驗(yàn)用膠粘劑由鹽城壹加壹電子材料有限公司提供，型號(hào)為YY5016A/B的雙組份常溫固化環(huán)氧樹脂膠，按照A∶B=2∶1的質(zhì)量配比，其材料參數(shù)由廠家提供，詳見表2。

表2 膠粘劑材料參數(shù)

1.2 試件設(shè)計(jì)

為充分利用竹材抗拉/壓性能好和OSB的抗剪性能，組合梁設(shè)計(jì)為工字型截面，如圖1所示。參照目前國內(nèi)外常見木工字梁的尺寸設(shè)計(jì)竹木工字梁試件[27-28]，上、下翼緣寬度×高度=59 mm×35 mm，梁凈跨=2 000 mm，梁高=240 mm，腹板高=170 mm，腹板厚度=9 mm。為獲得良好的粘接性能，涂膠前，用砂輪機(jī)和砂紙對OSB腹板和竹集成材翼緣的粘膠面進(jìn)行打磨處理，并用丙酮進(jìn)行表面清潔，去除木屑和灰塵等影響?zhàn)そY(jié)性能的不利因素，用刷子將環(huán)氧樹脂膠均勻涂抹到粘膠面，從而將腹板和翼緣膠結(jié)成整體，涂膠量為250 g/m2。隨后，選擇直徑為2.8 mm、長度為40 mm的圓釘從翼緣側(cè)面釘入，從而形成工字型截面組合梁。為避免釘子沿縱向劈裂竹翼緣，釘子需錯(cuò)列布置，間距為150 mm。

為防止支座處和跨中受力點(diǎn)處的腹板發(fā)生局部屈曲破壞，分別設(shè)置3對竹集成材加勁肋（25 mm×35 mm× 160 mm）和腹板膠結(jié)，支座處的加勁肋底面和下翼緣頂緊，頂面和上翼緣保留10 mm的縫隙，而布置于跨中集中荷載作用點(diǎn)處的加勁肋頂面與上翼緣頂緊，如圖1b所示。

注：tw為腹板厚度，mm；hw為腹板高度，mm；t為翼緣高度，mm；H為梁高，mm；b為翼緣寬度，mm，下同。

將制備好的試件置于濕度（65%±10%）、溫度（20±5 ℃）的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，齡期為10～14 d試件共分14組，每組3個(gè)相同試件。圓孔直徑是影響腹板開洞梁的主要因素之一，因此制作1組未開洞梁作為對比試件，記為i1；腹板開洞梁試件制作4組，孔徑與腹板高度的比值（/h）為25%、50%、75%和100%各1組，圓洞中心位于中性軸且距離左支座均為250 mm，依次記為ci1～ci4。由于腹板開孔的存在，勢必造成工字梁承載力在開孔處發(fā)生削弱，且降低其剛度性能，為研究不同OSB補(bǔ)強(qiáng)板型對開洞梁性能的影響程度，制作9組開洞梁試件，依次記為i2～i10。其中，i2、i5和i8的試件開洞情況與ci2、ci3和ci4相同，分別在洞口兩側(cè)粘貼套環(huán)定向刨花板（collar oriented strand board，C-OSB），如圖2a所示。顯然，采用C-OSB補(bǔ)強(qiáng)板僅適合于安裝管線設(shè)備前施工，但在房屋實(shí)際使用過程中業(yè)主可能在未征得結(jié)構(gòu)工程師同意的情況下擅自開設(shè)孔洞布置管線，此時(shí)必須先移除孔洞處的管道設(shè)施方可采用C-OSB進(jìn)行加固，這無疑增加了施工難度。因此，本文提出在不移除管線設(shè)施的前提下，采用雙U型定向刨花板（two U shaped oriented strand board，TU-OSB）和U型定向刨花板（U shaped oriented strand board，U-OSB）對開洞梁進(jìn)行加固。制作了3組采用TU-OSB補(bǔ)強(qiáng)板加固的試件（圖2b），記為i3、i6和i9；制作了3組采用U-OSB補(bǔ)強(qiáng)板加固的試件（圖2c），分別記為i4、i7和i10。

注：d為圓洞直徑，mm。下同。

在補(bǔ)強(qiáng)板和腹板間放置4塊尺寸為25 mm×35 mm× 160 mm的竹集成材襯板，襯板兩端與上、下翼緣間預(yù)留5 mm縫隙。襯板、腹板和補(bǔ)強(qiáng)板之間通過環(huán)氧樹脂粘接，用膠量為250 g/m2。采用直徑為2.8 mm的釘子將補(bǔ)強(qiáng)板和襯板固定在腹板上，釘中心距為50 mm，邊距和端距不小于15 mm。補(bǔ)強(qiáng)板高同梁高，均為240 mm，圓孔中心到補(bǔ)強(qiáng)板邊的距離[28]為，用于加固孔徑為85、127.5和170 mm的開洞梁的補(bǔ)強(qiáng)板寬分別為170、255和340 mm，具體參數(shù)見表3。

表3 試件參數(shù)

注：為圓洞直徑，mm；為補(bǔ)強(qiáng)板寬度，mm；為補(bǔ)強(qiáng)板高度，mm。下同。

Note：is diameter of circular opening, mm;is width of reinforcement plate, mm;is heigth of reinforcement plate, mm. The same as below.

1.3 量測內(nèi)容與加載方案

根據(jù)試驗(yàn)中各處位移的估測，選用激光位移計(jì)測量試件跨中和支座處的豎向位移，以詳細(xì)記錄試件加載過程中的變形情況。作動(dòng)器的荷載值、位移計(jì)讀數(shù)通過東華DH3820靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)自動(dòng)采集，采樣頻率為1 Hz。

試件采用杭州邦威電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行單調(diào)加載，如圖3所示。分別在支座端布置2套鋼側(cè)向支撐，防止試件加載過程中發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。在跨中加載點(diǎn)和支座處分別放置一塊10 mm厚的鋼墊板，以確保試件不發(fā)生局部承壓破壞。參照《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50329-2012，正式加載前先對試件進(jìn)行預(yù)加載至2 kN，以消除試驗(yàn)梁和加載裝置之間的縫隙，確認(rèn)儀表設(shè)備工作正常后卸載至原始狀態(tài)。正式加載采用位移控制勻速加載，初期加載速度為2 mm/min，正常使用極限狀態(tài)后降至1.5 mm/min直至試件破壞，以便詳細(xì)記錄試件的破壞過程。

使用SPSS20.0軟件對本文122例糖尿病視網(wǎng)膜病變患者的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,卡方檢驗(yàn),以%形式展開患者視力提高率,t檢驗(yàn),以±s形式展開各項(xiàng)指標(biāo)變化情況,兩組患者組間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義以P<0.05展開。

圖3 加載裝置及位移計(jì)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過程及形態(tài)

2.1.1 未開洞試件

對比試件i1的腹板未開洞，加載初期，腹板和翼緣表現(xiàn)出良好的協(xié)同工作性能。荷載增加至27.82 kN左右時(shí)，靠近跨中的上翼緣內(nèi)OSB首先發(fā)生層間開裂（圖4a），并伴隨不斷加劇的聲響。隨著荷載持續(xù)增加，裂縫變寬并向支座端快速發(fā)展，少數(shù)釘子拔出或剪斷。加載至極限荷載時(shí)，伴隨著巨大的聲響，跨中腹板均發(fā)生了剪切破壞，裂縫方向與梁縱向呈45°左右（圖4b）。試件的破壞通常始于翼緣內(nèi)的OSB層裂，破壞時(shí)翼緣始終無明顯可見破壞，亦未發(fā)生木工字梁[19-21]和竹梁[29-30]試驗(yàn)中常見的斷裂垮塌現(xiàn)象。

2.1.2 開洞試件

ci1～ci4試件腹板開設(shè)了直徑逐漸遞增的圓孔，/w分別為25%、50%、75%和100%。對于/w為25%的ci1而言，其破壞形態(tài)類似于試件i1。隨著/w的增大，ci2～ci4的破壞為腹板圓孔角部最先發(fā)生裂紋（圖4c），并迅速擴(kuò)展至翼緣，隨后圓孔上下殘余部分腹板退出工作，內(nèi)力發(fā)生重分布，圓洞處翼緣將同時(shí)承擔(dān)彎矩和剪力，致使試件的承載能力顯著下降，盡管孔洞處的上、下竹翼緣發(fā)生較大的撓曲變形，但未發(fā)生斷裂。不難發(fā)現(xiàn)，孔徑是影響開孔梁受力性能的一個(gè)主要因素，當(dāng)孔高不大于0.25倍腹板高時(shí)，圓孔的影響可忽略，這與Chen等[18]的發(fā)現(xiàn)基本一致。

圖4 主要破壞形態(tài)

2.1.3 加固試件

當(dāng)/h大于25%時(shí)，孔洞的影響變得不可忽略，需對開孔處的腹板采取加固措施。試件i2、i5、i8分別開設(shè)了/h為50%、75%、100%的圓洞，同時(shí)兩側(cè)成對粘貼C-OSB補(bǔ)強(qiáng)板。試件的破壞形態(tài)基本一致，以i2試件為例，C-OSB極大地限制了孔洞邊緣的裂縫發(fā)展，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板洞口右上角和左下角處邊緣內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)變超過OSB的極限拉應(yīng)變時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板左下角和右上角產(chǎn)生斜裂縫并快速發(fā)展（圖4d）。當(dāng)C-OSB退出工作后，洞口處的剪力將由腹板單獨(dú)承擔(dān)，腹板隨即從翼緣內(nèi)被拔出并退出工作。試驗(yàn)結(jié)束前，試件的承載能力并未完全喪失，當(dāng)降至60%極限荷載后，荷載降速變緩，翼緣內(nèi)OSB亦發(fā)生了輕微的層間開裂，卸載后試件的變形大部分可恢復(fù)。

試件i3、i6、i9腹板孔洞兩側(cè)粘貼TU-OSB補(bǔ)強(qiáng)板，在荷載分別增至21.70、19.62和16.07 kN時(shí)，首先在補(bǔ)強(qiáng)板上的洞口右上角或左下角產(chǎn)生了第1條裂縫并快速發(fā)展，裂縫發(fā)展方向與水平向呈40°左右?？锥戳硪粚蔷€的角部亦產(chǎn)生裂縫，裂縫迅速延伸至翼緣并往水平方向發(fā)展，裂縫數(shù)量和寬度不斷增加，當(dāng)荷載增至極限荷載時(shí)，伴隨一聲巨響，跨中撓度急劇增大。破壞時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板發(fā)生了層間開裂，右上角釘子被部分拔出（圖4e）。

在試件i4、i7、i10孔洞兩側(cè)成對粘貼U-OSB，其破壞現(xiàn)象均無顯著差異。試件的破壞形態(tài)基本一致，以i10試件為例，在荷載增至14.21 kN時(shí)，腹板和U-OSB的右上角處發(fā)出較明顯的撕裂聲響，裂縫變寬變長，左上角處出現(xiàn)了受壓褶皺現(xiàn)象，跨中撓度漸趨明顯（圖4f）。與C-OSB組和TU-OSB組相比，U-OSB抑制裂縫的程度較弱，因而對開洞梁的抗剪承載力的增強(qiáng)效果較小。當(dāng)洞口處邊緣受拉破壞后，腹板和補(bǔ)強(qiáng)板下部才開始發(fā)生壓潰破壞。當(dāng)荷載增至21.86 kN時(shí)，其承載力出現(xiàn)緩慢的下降趨勢。當(dāng)跨中變形達(dá)到24.12 mm時(shí)，試件承載能力降至30%極限荷載。試驗(yàn)結(jié)束后，i10試件未完成喪失承載能力，尚能承受7.2 kN，裂縫長達(dá)200 mm。

2.2 承載能力

表4給出了試件的主要試驗(yàn)結(jié)果，包括承載能力極限荷載P、開裂荷載P、正常使用極限狀態(tài)荷載P/250、各試件與對比試件i1的P/250的比值。建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的極限狀態(tài)分為正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)，竹梁和木梁的極限承載能力通常由正常使用極限狀態(tài)所決定[22-24]。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50005-2017的規(guī)定，木質(zhì)工字梁正常使用極限狀態(tài)下的跨中允許撓度[]=/250=8 mm。當(dāng)加載過程中腹板產(chǎn)生裂縫時(shí)的荷載，即為開裂荷載。對于/w≤25%的試件而言，裂縫通常在翼緣內(nèi)的OSB層間產(chǎn)生（圖4a），對于其他試件，裂縫通常在孔洞斜對角線受拉區(qū)產(chǎn)生。

表4 各試件承載力、抗彎剛度和韌性

注：P為承載能力極限荷載，kN；P為開裂荷載，kN；P/250為正常使用極限狀態(tài)荷載，kN；為各試件與對比試件的P/250比值；0為抗彎剛度，kN·mm-1；0.85為韌性指數(shù)。下同。

Note：Pis load carrying capacity under ultimate limit state, kN;Pis cracking load, kN;P/250is load carrying capacity under serviceability limit state, kN;is ratio ofP/250of joists to control joist;0is bending stiffness, kN·mm-1;0.85is toughness index. The same as below.

孔徑是影響開洞梁力學(xué)性能的一個(gè)重要因素，孔洞削弱了腹板的有效截面并改變了圓孔附近腹板的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而降低了試件的極限承載力。對于/w不大于25%的梁ci1而言，其極限承載力P較對比試件i1降低約8.2%，圓孔的影響可忽略。然而，試件ci2、ci3和ci4的/h分別為50%、75%和100%，其極限承載力較未開洞的試件i1降低25.1%、35.6%和56.1%，平均降低38.9%。由此可見，圓孔的不利影響隨著孔徑的增大而愈發(fā)顯著。

對于孔徑較大的梁(/h≥50%)而言，試件的破壞均始于孔洞處的腹板開裂，且迅速往上、下翼緣擴(kuò)展，從而最終發(fā)生破壞。因而，裂縫是開洞梁最終發(fā)生破壞前的一個(gè)征兆。ci1、ci2、ci3和ci4的開裂荷載僅為i1的88.6%、64.3%、48.5%和31.5%，最大降幅達(dá)68.5%。粘貼OSB補(bǔ)強(qiáng)板可有效延緩裂縫開展，開洞梁的開裂荷載P較未加固開洞梁試件有明顯改善，提高幅度為7.8%～122.1%，平均提高52.9%；極限荷載顯著提高2.2%～67.5%，平均提高28.2%。與此同時(shí)，加固試件破壞時(shí)的極限位移亦有所增加，其中，粘貼C-OSB板時(shí)的極限位移增加值最大，達(dá)19.4%，而粘貼TU-OSB板時(shí)次之，平均增幅14.0%；而粘貼U-OSB板的加固梁試件增幅最小，僅為9.4%。

試件ci1、ci2、ci3和ci4的/h分別為25%、50%、75%和100%，其正常使用極限狀態(tài)承載力P/250較未開洞的試件i1降低3.5%、21.0%、29.6%和45.3%。因而，/h不大于25%的腹板開洞梁可不加固，/h大于50%的梁則必須采取必要的措施加固。粘貼OSB板加固后，試件達(dá)允許撓度時(shí)的荷載值提高幅度為9.7%～37.3%，平均提高21.1%。ci2、ci3和ci4的開洞情況相同，分別經(jīng)C-OSB、TU-OSB和U-OSB加固，其承載力P較i2提高18.2%、10.5%和7.7%，平均提高12.1%；ci3、ci6和ci9的/h分別為50%、75%和100%，均采用C-OSB加固，其承載力P250較i2提高10.5%、14.1%和14.8%。因此，增幅與孔洞直徑和補(bǔ)強(qiáng)板類型密切相關(guān)。盡管粘貼OSB板加固法能顯著提高開孔梁正常使用極限狀態(tài)下的承載能力，但TU-OSB和U-OSB不適合加固/h大于75%的開洞梁。

2.3 荷載-跨中撓度曲線

圖5為不同/h梁的荷載-撓度關(guān)系曲線，結(jié)合表4破壞過程中各特征點(diǎn)的荷載和位移試驗(yàn)結(jié)果可知，從開始加載至達(dá)到承載能力極限承載狀態(tài)前，梁均無明顯的屈服點(diǎn)，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征；圓洞對試件極限承載力和極限位移有著顯著的影響。ci1、ci2、ci3和ci4孔徑逐漸增大，其承載能力和極限位移減?。籓SB補(bǔ)強(qiáng)板的阻裂增強(qiáng)作用延緩了裂縫的開展，C-OSB的增強(qiáng)效果最好，TU-OSB次之，U-OSB最差；試件的變形過程大致可分為3個(gè)階段：初始裂縫階段、裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段、破壞階段。達(dá)到正常使用極限狀態(tài)前，試件各截面始終處于線彈性階段，表現(xiàn)出良好的受力性能。試件達(dá)到峰值荷載后，隨即進(jìn)入破壞階段，但經(jīng)OSB補(bǔ)強(qiáng)板加固的開孔梁承載力較未加固的開洞梁的下降速度更緩慢。

2.4 抗彎剛度

試件的抗彎剛度0參照《建筑結(jié)構(gòu)用木工字梁》GB/T 28985-2012和ASTM D 5055-05，按式（1）計(jì)算。

式中ΔP為在荷載-跨中位移曲線圖中0.1Pu～0.4Pu間的直線段內(nèi)的載荷增量（即載荷P1、P2差的絕對值），Δy為在ΔP作用下試件跨中處變形，a為加載墊塊和支承墊塊的中心距離，a=0.5L=1 000 mm。

對于未加固的竹木工字梁而言，隨著孔徑越大，試件抗彎剛度呈下降趨勢。/w越大，孔洞帶來的不利影響越顯著。開洞梁經(jīng)OSB加固后，其抗彎剛度呈明顯增大趨勢，平均提高11.5%，其中C-OSB板型增幅最大，TU-OSB次之，U-OSB最小，且/w越大，增幅越顯著。

2.5 韌 性

根據(jù)竹木工字梁荷載-跨中撓度曲線的特點(diǎn)，通過積分的方法求得各試件在破壞過程中吸收的能量，如圖6所示。其中，為極限荷載點(diǎn)，為極限位移，為荷載-位移曲線下降至85%時(shí)的荷載，為對應(yīng)于85%時(shí)的位移。采用能量比值法計(jì)算韌性指數(shù)[31]，按式（2）計(jì)算。

式中0.85為荷載下降至極限荷載85%時(shí)對應(yīng)的韌性指數(shù)；OAB為達(dá)到峰值荷載時(shí)對應(yīng)的曲線下的面積；OACD為荷載下降至85%時(shí)對應(yīng)的曲線下的面積。隨著孔徑的增大，竹木工字梁韌性呈下降趨勢，但經(jīng)OSB加固后，其韌性略有提高，但作用不明顯（表4），這與組合梁達(dá)到承載能力極限狀態(tài)后突然喪失了較大承載能力的破壞現(xiàn)象相對應(yīng)。

注：為極限荷載點(diǎn)；為極限位移；為85%的極限荷載點(diǎn)；為對應(yīng)于85%極限荷載（u）的位移。

Note：is point of ultimate load, kN;is displacement corresponding to ultimate load, mm;is point of 85 percent of the ultimate load, kN;is displacement corresponding to 85 percent of the ultimate load (u), mm.

圖6 韌性指數(shù)示意圖

Fig.6 Diagram of toughness indices

3 結(jié) 論

1）孔徑是影響腹板開孔梁力學(xué)性能的一個(gè)重要因素，當(dāng)孔高不大于0.25倍腹板高度時(shí)，圓孔的影響可忽略，破壞形態(tài)以翼緣內(nèi)OSB層裂為主，無需對開孔梁進(jìn)行加固處理。當(dāng)孔洞直徑大于50%腹板高度時(shí)，隨著孔洞直徑的增加，圓孔的不利影響將愈發(fā)顯著，破壞形態(tài)以洞口周邊受拉和受壓破壞為主。

2）竹木工字梁破壞表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征，未發(fā)生木梁和竹梁試驗(yàn)中常見的整體斷裂現(xiàn)象，且竹集成材翼緣保持完好，無明顯可見破壞，這有利于避免人員和財(cái)產(chǎn)的損失。

3）OSB補(bǔ)強(qiáng)板可有效阻止裂縫開展，開洞梁的開裂荷載較未加固開洞梁平均提高52.9%，達(dá)到允許撓度時(shí)的荷載平均提高12.1%，承載能力極限狀態(tài)荷載提高28.2%。粘貼OSB板加固開洞竹木工字梁試件的初始彎曲剛度較對比試件略有提高，平均提高11.5%。

4）OSB補(bǔ)強(qiáng)板對開洞梁承載力和剛度的加固效果與板類型關(guān)系密切，孔徑越大，增強(qiáng)效果越明顯。其中，以C-OSB效果最好，TU-OSB次之，U-OSB最差。從施工難易程度看，C-OSB適合于管道施工前對開洞梁進(jìn)行加固，而U-OSB和TU-OSB適合加固/w不大于75%的開洞梁。實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)板型。

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Study on laminated bamboo lumber-wood I shaped joist with web opening reinforced by oriented stand board plates plates

Chen Guo, Yu Yunfei, Li Xiang, He Bin, Zheng Naihao, Zhao Huan

(210037,)

Bamboo is considered as one of fastest-growing plants in the world, widely distributed in South America and Southeast Asia. Especially in southern China, the planting area and output of bamboo ranks first in the world. For decades, raw bamboo has been successfully used in civil construction, often in the form of beams, columns, rafters and so on. However, several problems arise in practical applications and need to be solved, such as thin-walled hollow, irregular shape, easy to crack when exposure to moisture alternation frequently. Laminated bamboo lumber (LBL) is considered as a promising green engineering material in modern bamboo construction, due to higher strength/weight ratio and more rapid renewability than common wood. Oriented strand board (OSB) is mainly made from thin wood flakes sliced from small-diameter, fast-growing trees. Due to good cost-efficiency ratio, the OSB panel has been used as webs of wood I-joist, floor sheathing, roof sheathing, and so on. An OSB webbed laminated bamboo lumber I shaped joist is introduced, which consists of four LBL flanges and OSB web. The LBL is attached to the OSB by adhesive and nails spaced at 150 mm in center. To study the capacity, deformation performance and failure mechanism of the OSB webbed bamboo I-joists with circular web opening, 42 joints with/without web opening are tested. Among them, 12 joists with web opening without strengthened, 27 joists with web opening are retrofitted by collar oriented strand board (C-OSB), two U shaped oriented strand board (TU-OSB) or U shaped oriented strand board (U-OSB) and 3 joists without opening for comparison. Results show that the effect of joists with hole diameter to web height less than 25% are negligible, no repairs are required. With the increase of ratio of the hole size to web height (/w), the peak load capacity and stiffness of the joists with big opening (/w≥50%) decrease significantly, and the joists failed in web shear failure around the opening, mainly in compression and tension failure. The cracking loads strengthened by OSB plates increases by 52.9%, the loads at allowable deflection increase by 12.1% on average, and the ultimate loads increase by 28.2%, respectively. The increase of carrying capacity is closely related to the types of OSB plates, and the C-OSB plate is the biggest. Also, the OSB plates can improve the initial stiffness, increased only by 11.5% on average. The improvement of C-OSB on mechanical performance of composite joists is most effective, TU-OSB less and U-OSB least. It is evident that the C-OSB has the greatest enhancement effectiveness on joist with opening, however, the selection of OSB plates for reinforcement should be considered comprehensively in practical applications. The C-OSB is suitable to retrofit joist with opening prior to the installation of the service pipes, while the TU-OSB and U-OSB can be used to reinforce the joist with the opening diameter less than 75% without removing the pipeline facilities. The results indicate that the OSB webbed LBL I joist has excellent mechanical performance which can be used for the bending members in bamboo structures and wood structure.

loads; bamboo; wood; oriented strand board; strengthening; I-joist; web opening; failure mechanism

陳 國，于云飛，李 祥，何 彬，鄭乃浩，趙 歡. 定向刨花板加固腹板開洞竹木工字梁力學(xué)性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：260－266. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034 http://www.tcsae.org

Chen Guo, Yu Yunfei, Li Xiang, He Bin, Zheng Naihao, Zhao Huan. Study on laminated bamboo lumber-wood I shaped joist with web opening reinforced by oriented stand board plates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 260－266. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034 http://www.tcsae.org

2018-05-06

2018-10-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51408312）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20130982）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部資助項(xiàng)目（2018-K5-003）

陳 國，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)研究。 Email：chenguo@njfu.edn.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034

TU366.1

A

1002-6819(2018)-23-0260-07