蠕變對重組竹板增強(qiáng)膠合木梁長期受彎性能的影響1)

左宏亮 胡斌 劉翰然

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)，因其綠色環(huán)保、低碳節(jié)能、紋理美觀等特點(diǎn)，在北美和歐洲已經(jīng)具有很長的發(fā)展歷史[1-4]，而我國近年來也隨著速生林種植的推進(jìn)、退耕還林及鼓勵(lì)木材進(jìn)口等相應(yīng)政策的實(shí)施，逐漸重視了對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的研究，既滿足了人們?nèi)找嫣嵘纳钏揭?，又響?yīng)了國家可持續(xù)發(fā)展的號召[5-7]。普通膠合木梁，作為木結(jié)構(gòu)建筑中基本的梁構(gòu)件，由于抗拉壓強(qiáng)度偏低、剛度小且受壓區(qū)木材抗壓強(qiáng)度未能充分利用等缺陷[8-9]，往往不能滿足設(shè)計(jì)使用要求。因此，本課題組此前提出了新型構(gòu)件——重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，并對其承載力等短期性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但若想將此類構(gòu)件應(yīng)用于工程實(shí)踐中，還需要考慮作為木材基本特性之一的蠕變對梁長期受彎性能的影響。針對上述問題，本研究以置換率及加載比例為試驗(yàn)條件，選取置換率為1/6、2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，并設(shè)置普通膠合木梁為照組，進(jìn)行為期90 d的長期加載試驗(yàn)，分析置換率及加載比例對重組竹板增強(qiáng)膠合木梁長期撓度及蠕變變形的影響；并將長期試驗(yàn)結(jié)束后所有試驗(yàn)梁進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)，與未進(jìn)行長期試驗(yàn)的試驗(yàn)梁進(jìn)行對比，分析蠕變對承載力、剛度的影響。旨在為木結(jié)構(gòu)建筑中對梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

按照課題組前期試驗(yàn)的試件制作經(jīng)驗(yàn)[9]和GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]中的相關(guān)規(guī)定，以云杉-松-冷杉(SPF)和重組竹為原材料，委托專業(yè)廠家制作18根試驗(yàn)梁，其中普通膠合木梁(見圖1)、置換率為1/6(見圖2)和2/6(見圖3)的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁各6根，試驗(yàn)梁規(guī)格均為2 850 mm×150 mm×50 mm，規(guī)定木材的順紋方向?yàn)樵囼?yàn)梁的長度方向。

圖1 普通膠合木梁試件設(shè)計(jì)示意圖(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖2 置換率為1/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁試件設(shè)計(jì)示意圖(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

圖3 置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁試件設(shè)計(jì)示意圖(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

為了計(jì)算長期試驗(yàn)加載值，首先對試驗(yàn)梁進(jìn)行短期加載試驗(yàn)，短期加載試驗(yàn)采用三分點(diǎn)對稱逐級加載，直至試件破壞(見圖4、見表1)。

圖4 短期試驗(yàn)加載裝置示意圖(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)

表1 極限荷載測定組試驗(yàn)梁

根據(jù)A組試驗(yàn)梁短期加載試驗(yàn)測得的極限承載力平均值及長期加載試驗(yàn)中的不同加載比例，計(jì)算出長期試驗(yàn)組B、C、D三組中每根試驗(yàn)梁的長期加載值(見表2)。

表2 試驗(yàn)梁的長期試驗(yàn)分組及加載值

長期試驗(yàn)梁跨中及兩端位移，由位移計(jì)通過JM3813靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集，采集時(shí)間間隔為每6 h一次。加載方式采用三分點(diǎn)對稱加載，即在梁兩三分點(diǎn)處懸掛重物(見圖5)，以保證加載值恒定，加載時(shí)間為90 d。

圖中數(shù)據(jù)單位為mm

為研究蠕變對重組竹板增強(qiáng)膠合木梁長期受彎性能的影響，在長期加載試驗(yàn)結(jié)束后，將所有試驗(yàn)梁進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)，與未進(jìn)行長期加載試驗(yàn)的試驗(yàn)梁進(jìn)行比較。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置與前期短期試驗(yàn)相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)梁長期加載試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同置換率時(shí)膠合木梁跨中凈撓度變化

根據(jù)長期試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)，將加載比例為預(yù)估極限荷載的20%、30%、40%時(shí)三種試驗(yàn)梁的跨中凈撓度值進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析(見圖6)。由圖6可見：當(dāng)加載比例為極限預(yù)估荷載的20%、30%、40%時(shí)，置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的初始撓度均大于普通膠合木梁，且當(dāng)加載比例一定時(shí)，普通膠合木梁、置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的跨中凈撓度增長過程相近，增長速度相似；與置換率為1/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁相比，置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁初始撓度分別減小了18%、19%、18%；且在長期試驗(yàn)過程中跨中凈撓度值也始終低于置換率為1/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，這是因?yàn)楫?dāng)加載比例占預(yù)估極限荷載比例一定時(shí)，由于重組竹板置換率的增加，受拉區(qū)彈性模量整體增大，整體剛度增加，變形減小，因此試驗(yàn)梁置換率為2/6時(shí)更適合長期受荷狀態(tài)。

圖6 不同加載比例時(shí)梁跨中凈撓度隨加載時(shí)間變化曲線

2.1.2 不同加載比例時(shí)膠合木梁跨中凈撓度變化

根據(jù)長期試驗(yàn)過程中JM3813靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，將置換率一定時(shí)的試驗(yàn)梁在不同加載比例時(shí)的跨中凈撓度值進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析(見圖7)。由圖7可見：當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到試驗(yàn)全周期的1/3時(shí)，所有試驗(yàn)梁的蠕變變形進(jìn)程均超過整個(gè)蠕變變形周期的一半，且普通膠合木梁的前期蠕變變形增長速度超過重組竹板增強(qiáng)膠合木梁，說明重組竹板的存在延緩了試驗(yàn)梁的蠕變變形增長速度。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到試驗(yàn)全周期的2/3時(shí)，所有試驗(yàn)梁的蠕變變形進(jìn)程基本完成了整個(gè)蠕變變形周期的90%左右，說明在長期試驗(yàn)過程中，梁的蠕變變形增長速度前期較大，并逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

由圖7可見：置換率一定時(shí)，加載比例為預(yù)估極限荷載的20%、30%、40%的試驗(yàn)梁初始撓度，隨著加載比例的增大而相應(yīng)增大，但不呈線性比例關(guān)系。在加載比例為預(yù)估極限荷載的20%、30%時(shí)，試驗(yàn)梁的跨中凈撓度值增長速度較為平緩且一致；在加載比例為預(yù)估極限荷載的40%時(shí)，普通膠合木梁、置換率為1/6、置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁的跨中凈撓度值增長速度增大，不利于梁的正常使用狀態(tài)。因此，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和使用過程中，應(yīng)避免長期高加載比例時(shí)膠合木梁跨中撓度增長過快給結(jié)構(gòu)帶來危害。

2.2 蠕變對短期加載膠合木梁性能的影響

2.2.1 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

將經(jīng)過長期試驗(yàn)后的試驗(yàn)梁破壞形態(tài)與未經(jīng)過蠕變的試驗(yàn)梁進(jìn)行對比，破壞形態(tài)未發(fā)生明顯改變，主要分為3種：梁底受拉破壞、梁頂受壓破壞、膠層剪切破壞(見圖8)。由圖8可見：普通膠合木梁全部發(fā)生梁底受拉破壞、重組竹板增強(qiáng)膠合木梁多發(fā)生梁頂受壓破壞和膠層剪切破壞，這是因?yàn)樵诓桓淖兞航孛娓叨鹊耐瑫r(shí)，重組竹板的出現(xiàn)增強(qiáng)了梁受拉區(qū)的抗拉能力，根據(jù)截面平衡條件，膠合木部分的壓應(yīng)力增大，底部拉應(yīng)力相對變小，截面中和軸下移，使得受壓區(qū)的木材強(qiáng)度得到充分利用。

圖8 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

2.2.2 試驗(yàn)梁極限荷載對比

統(tǒng)計(jì)經(jīng)過長期蠕變后短期試驗(yàn)試驗(yàn)梁的極限承載力，與未受蠕變影響的試驗(yàn)梁極限承載力進(jìn)行對比(見表3)。由表3可見：所有經(jīng)過長期蠕變后的試驗(yàn)梁極限承載力均有所下降，普通膠合木梁極限承載力下降了5.3%～26.3%；置換率為1/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁極限承載力下降了15.3%～45.8%，置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁極限承載力下降了7.9%～30.2%；置換率一定時(shí)，極限承載力隨長期加載比例的增大而減小。

表3 蠕變后試驗(yàn)梁與未蠕變梁極限承載力對比

2.2.3 試驗(yàn)梁荷載-撓度關(guān)系曲線

對比經(jīng)過蠕變的試驗(yàn)梁與未經(jīng)過蠕變的試驗(yàn)梁荷載-撓度關(guān)系曲線，選取長期加載比例為預(yù)估極限荷載40%的D組試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)與未受蠕變影響的試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(見圖9)。由圖9中曲線斜率可見：蠕變后的普通膠合木梁剛度變化不大，置換率不同的兩種重組竹板增強(qiáng)膠合木梁剛度有小幅度下降，同時(shí)所有試驗(yàn)梁變形能力降低。

圖9 蠕變后梁與未蠕變梁的外荷載-撓度曲線

3 結(jié)論

當(dāng)重組竹板增強(qiáng)膠合木梁置換率一定時(shí)，蠕變變形值隨加載比例的增大而增大，且增長幅度不呈比例。在高加載比例時(shí)，蠕變變形增長量及蠕變變形增長速度均顯著增長，體現(xiàn)了過載對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷積累極大。

當(dāng)加載比例占預(yù)估極限荷載的比例一定時(shí)，重組竹板增強(qiáng)膠合木梁跨中凈撓度值均大于普通膠合木梁，且試驗(yàn)梁在置換率為2/6時(shí)的初始撓度、蠕變變形增長量、蠕變變形增長速度，均小于試驗(yàn)梁置換率為1/6時(shí)，因此置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁更適合長期受荷狀態(tài)。

經(jīng)過蠕變后的短期試驗(yàn)梁破壞形態(tài)沒有發(fā)生明顯改變，但極限承載力均有不同程度的下降，普通膠合木梁下降5.3%～26.3%、置換率為1/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁下降15.3%～45.8%、置換率為2/6的重組竹板增強(qiáng)膠合木梁下降7.9%～30.2%，同時(shí)剛度有小幅度下降，變形能力下降明顯。