長(zhǎng)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(jiān)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(dòng)科研工作者對(duì)環(huán)保型建筑材料[1-5]的研究。與此同時(shí)，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(zhǎng)周期短、輕質(zhì)高強(qiáng)[2]等優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)，充分發(fā)揮了材料各自的力學(xué)性能特點(diǎn)。

目前，寧波大學(xué)課題組已系統(tǒng)地對(duì)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(shí)際工程中推行鋼-竹組合構(gòu)件必然少不了對(duì)組合構(gòu)件長(zhǎng)期受力性能的研究?；诖?，本文通過對(duì)鋼-竹組合樓板施加長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的荷載，觀測(cè)其在長(zhǎng)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(zhǎng)期荷載下?lián)隙入S時(shí)間的變化規(guī)律及兩種材料應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律；通過理論推導(dǎo)，提出蠕變效應(yīng)下長(zhǎng)期剛度的建議公式和跨中撓度計(jì)算方法；最后通過二次抗彎試驗(yàn)與短期抗彎試驗(yàn)對(duì)比，得到長(zhǎng)期荷載作用后鋼-竹組合樓板承載力的衰減程度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

1.1.1 組合樓板的設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)鋼-竹組合樓板為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中關(guān)鍵的工作，會(huì)直接影響試驗(yàn)的進(jìn)程和鋼-竹組合樓板的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)并制作了4塊鋼-竹組合樓板，試件編號(hào)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(zhǎng)×寬為2 300 mm×600 mm，跨度為2 100 mm。對(duì)B1、B2兩塊試件直接進(jìn)行短期抗彎試驗(yàn)，作長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)的對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)B3、B4兩塊試件進(jìn)行長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)，研究長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為：高×寬×卷邊長(zhǎng)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(zhǎng)2 300 mm，寬600 mm,厚度為10 mm的竹膠板；24塊尺寸為長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(zhǎng)期荷載試驗(yàn)前，參考GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[11]和GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》[12]，分別對(duì)同批次的兩種材料進(jìn)行材性試驗(yàn)以獲得后續(xù)所需的材料力學(xué)參數(shù)，實(shí)測(cè)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(duì)于樓板的抗彎試驗(yàn)[13-15]一般有兩種加載方法：直接施加均布荷載和用幾個(gè)集中力等效均布荷載。鑒于長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)加載時(shí)間較長(zhǎng)，不可能長(zhǎng)時(shí)間占用設(shè)備，其次，長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)的加載值不大，故試驗(yàn)采用直接施加均布荷載。采取散狀材料(河沙)對(duì)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(yàn)配備了應(yīng)變測(cè)量裝置、位移測(cè)量裝置，對(duì)鋼-竹組合樓板的撓度和跨中應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。本文對(duì)鋼-竹組合樓板長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)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(jì)。

圖3 長(zhǎng)期荷載加載方案Fig.3 Loading method of long-term load

長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)后的二次抗彎試驗(yàn)以及短期抗彎試驗(yàn)采用二集中力三分點(diǎn)法，因?yàn)榭箯澰囼?yàn)的加載值大，堆載不再適用，試驗(yàn)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(jiǎn)支，試驗(yàn)的加載程序采用逐級(jí)施加荷載的辦法，每級(jí)為5 kN。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選在寧波大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的變形觀測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，分析鋼-竹組合樓板的撓度隨時(shí)間變化的規(guī)律以及型鋼和竹膠板的應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律，對(duì)比二次抗彎試驗(yàn)和短期抗彎試驗(yàn)的結(jié)果。

2.1 跨中撓度-持載時(shí)間關(guān)系曲線

圖5為鋼-竹組合樓板在長(zhǎng)期荷載作用下?lián)隙?持載時(shí)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(shì)。在荷載施加初期，試件的撓度變化較大，撓度增長(zhǎng)速率也較大，隨著持載時(shí)間的增長(zhǎng)，撓度增長(zhǎng)速率逐漸減小，在45～60 d撓度增長(zhǎng)速率明顯降低，最后撓度增長(zhǎng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，差別不大。表明在正常使用范圍內(nèi)，有無緊固件對(duì)鋼-竹組合樓板的使用沒有明顯影響。綜上所述，在整個(gè)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(shí)間曲線

2.2 跨中應(yīng)變-持載時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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?cè)鲩L(zhǎng)速率趨向于零，應(yīng)變趨向于一個(gè)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(jí)內(nèi)，說明有無緊固件對(duì)長(zhǎng)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(shí)間曲線變化趨勢(shì)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(shí)間曲線基本對(duì)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(yàn)的對(duì)比結(jié)果

鋼-竹組合樓板在長(zhǎng)期荷載作用6個(gè)月后，進(jìn)行二次抗彎試驗(yàn)，表4給出了二次抗彎試驗(yàn)和短期抗彎試驗(yàn)極限承載力的具體數(shù)據(jù)。分析可知：長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)鋼-竹組合樓板的安全性考慮，建議設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)樓板的設(shè)計(jì)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(duì)比

3 理論分析

3.1 剛度計(jì)算

3.1.1 初始抗彎剛度

試驗(yàn)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(jì)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(duì)鋼-竹組合樓板在長(zhǎng)期荷載作用下?lián)隙茸兓蛣偠茸兓挠绊?，本文引入蠕變系?shù)kr，將鋼-竹組合樓板在長(zhǎng)期荷載作用下的總撓度與外荷載施加產(chǎn)生的瞬時(shí)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(shí)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(duì)試件的蠕變系數(shù)影響不大。

表5 蠕變系數(shù)

3.1.3 長(zhǎng)期剛度

我國GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中尚未給出長(zhǎng)期剛度公式，但借鑒GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中考慮荷載長(zhǎng)期作用下受彎構(gòu)件的剛度計(jì)算公式，提出鋼-竹組合樓板的長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)算彎矩；Mq為荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算彎矩；kr為蠕變系數(shù)。

根據(jù)公式(3)計(jì)算鋼-竹組合樓板的長(zhǎng)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(zhǎng)期剛度；EIx為蠕變效應(yīng)下鋼-竹組合樓板的長(zhǎng)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(jì)算

考慮到竹膠板的蠕變是影響試件長(zhǎng)期剛度的主要因素，并按照結(jié)構(gòu)力學(xué)中的計(jì)算方法，推出長(zhǎng)期荷載作用下的撓度計(jì)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(zhǎng)期剛度,N·mm2。

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

分析表7可知，長(zhǎng)期荷載作用下鋼-竹組合樓板的變形試驗(yàn)值與理論值吻合度較高，說明可將此長(zhǎng)期撓度公式作為實(shí)際變形值的預(yù)測(cè)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(yàn)值；長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)下試件的變形試驗(yàn)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(huì)發(fā)生太大的變形。

表7 長(zhǎng)期變形理論值及長(zhǎng)期變形試驗(yàn)值

4 結(jié)論

通過對(duì)長(zhǎng)期荷載作用下鋼-竹組合樓板的變形觀測(cè)和對(duì)卸載后試件的二次抗彎試驗(yàn)，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(diǎn)。

(2)試件在長(zhǎng)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(duì)鋼-竹組合樓板的使用沒有明顯影響。

(3)型鋼和竹膠板在長(zhǎng)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(shí)間曲線變化趨勢(shì)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(zhǎng)期荷載作用后的鋼-竹組合樓板在抗彎試驗(yàn)中會(huì)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(zhǎng)期剛度建議公式和撓度計(jì)算方法，用該計(jì)算方法可得到較可靠的撓度預(yù)測(cè)值。