重组竹板增强胶合木梁研究

陈冠华 刘 琦 曾宪沂 周启哲 洪浩凯 刘方舟

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

影响工程建设中结构可靠性的重要因素即为工程材料，在我国，目前使用量最多的工程材料是钢筋混凝土，但其自重较大、不可再生、重复利用率低。而木材是一种可再生材料，具有自重较轻、绿色环保、制作工艺简单等优势。此外，层板胶合木材料克服了木材尺寸限制和利用率等问题，目前已被广泛应用于木结构中［1，2］。受木材天然缺陷的限制，普通胶合木梁发生弯曲破坏时受压区基本不能达到木材的极限压应力，木材的抗压强度得不到充分利用。长期以来，国内外学者不断探索普通胶合木梁的增强方法，以提高其整体受弯性能［3］。竹材来源广泛，制作工艺简单。使用小径级竹材纤维压制而成的重组竹板，材料利用率较高、材质均匀、抗拉性能优越［4］，所以利用含有天然纤维的竹材对普通胶合梁进行增强是一种低碳环保、切实可行的方法。综上所述，将一定层板数量的重组竹板胶结在胶合木梁底部受拉区，将会显著改善胶合木梁底部受拉区的应力状态，从而达到充分发挥木材抗压强度，提高梁整体受弯性能的目的。

1 国内外胶合木梁增强方法的研究现状

与普通胶合木梁相比，增强后胶合木梁的性能有了较大的改善。国内外学者通过试验，分别对用不同材料增强的胶合木梁进行了研究，并对梁极限承载力、抗弯性能及增强后的裂缝开展和截面破坏形态等方面进行了分析。杨会峰等［5］以杨木为原材料，对9 组共18 根FRP 增强胶合木梁进行了抗弯性能试验研究，通过分析试验构件的破坏形式和破坏机理，对比未增强胶合木梁与增强后梁的抗弯刚度与极限承载力等参数，得出增强后杨木胶合木梁的受弯承载力能达到松木实木构件的1.82 倍，充分利用了胶合木梁受压区部分木材的抗压强度，延缓了普通胶合木梁的受拉脆性破坏，提高了普通胶合木构件的延性。陆伟东等［6］采用竖嵌CFRP 板条层板增强胶合木梁。结果表明，与未增强的胶合木梁相比，增强后试件的极限承载力和最大位移均有明显提高;胶合木梁受压区木材的抗压强度随着CFRP 板配筋率的增大而增大;降低了胶合木梁受拉区木材缺陷的影响，从而显著提高了胶合木梁的延性性能。Camille A.Issa 等［7］对普通胶合木梁进行了钢板加固和碳纤维加固，并将这两种加固后的梁与普通胶合木梁进行对比试验。结果表明，利用钢板和碳纤维加固后，梁的极限承载能力有了显著的提高，破坏形态也由脆性破坏变为延性破坏。左宏亮等［8］通过对在普通胶合木梁上粘贴不同层数玄武岩纤维复合材料的受弯试验，研究得出玄武岩纤维复合材料的存在使增强后胶合木梁的受弯性能有了显著的增强效果。当玄武岩纤维复合材料配量适中时，胶合木梁顶部受压区木层板出现屈曲褶皱，构件表现出明显的塑性破坏特征，最终受拉区的层板被拉断导致破坏。

综上所述可知，以适当的方式在普通胶合木梁底部粘贴一定数量抗拉性能较好的材料后，可以显著提高普通胶合木梁的极限承载力，弥补普通胶合木梁的缺陷，较大程度上发挥木材的抗压强度，从而提高了整个梁的抗弯性能。可以看出，目前对胶合木梁增强的方法中，采用纤维材料的增强方法居多。虽然纤维材料轻质高强、耐腐蚀性能好、可设计性好、抗拉强度高，但是它长期耐温性差、易发生老化现象、不环保。

张俊珍等［9］以用慈竹制作的重组竹为研究对象，对比了重组竹与落叶松等木材的力学性能。结果表明，与落叶松等木材相比，重组竹材的顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度值均较高、稳定性能好、顺纹和横纹的抗变形能力差别更小、表现出较好的延性。陈国等［10］关于胶合竹木工字梁受弯性能的试验研究结果表明，竹材和木材作为两种物理力学性能相近的材料，可以互相结合共同工作并满足提高承载力的要求。通过对各种文献资料的研究分析得知，以重组竹板作为受拉区对普通胶合木梁进行增强是切实可行的。所以，利用以楠竹为原材料的重组竹板作为受拉区，以东北落叶松为原材料的木材作为受压区，提出一种重组竹板增强胶合木梁的实验思路。

2 重组竹板增强胶合木梁的研究方案

参考借鉴相关文献和资料，设计如下试验方案:通过对重组竹板增强胶合木梁和普通胶合木梁极限承载力、破坏形态、延性性能和经济效益等试验结果进行分析，研究重组竹板的增强作用和重组竹板层板数量变化对普通胶合木梁受弯性能的影响，并确定最佳重组竹层板数量。

2.1 木材和竹材抗拉强度试验

加工18 个重组竹材抗拉试件和18 个胶合木材抗拉试件，如图1 所示。在万能试验机上进行拉伸试验，得到木材和竹材的抗拉弹性模量和抗拉强度。

图1 抗拉试件加工图（单位：mm）

2.2 木材和竹材抗压强度试验

根据文献［11］，可加工18 个重组竹材棱柱体试件和18 个胶合木材棱柱体试件，如图2 所示，在万能试验机上进行受压试验，得到木材和竹材的抗压弹性模量和抗压强度。

图2 抗压试件加工图（单位：mm）

2.3 重组竹板增强胶合木梁受弯试验

制作4 组(每组3 根)受弯构件进行试验，所有构件的尺寸均为2 850 mm×50 mm×150 mm(l×b×h)，层板厚度为25 mm，层数为6 层。其中有1 组普通胶合木梁作为试验对照，其余3 组均为重组竹板增强胶合木梁，分别由1 层、2 层、3 层重组竹材和5 层、4 层、3 层东北落叶松胶合而成，如图3 所示。

图3 胶合木梁试件加工图（单位：mm）

根据GB/T 50329—2012 木结构试验方法标准中的规定，本实验采用两点对称的加载方式进行加载，利用千斤顶施加竖向荷载，应变片、位移计和静态电阻应变测试系统对胶合木梁的各测点应变、挠度和竖向荷载进行量测，加载设备和量测装置见图4。

图4 加载设备和量测装置示意图

2.4 试验现象与数据分析

通过以上试验，观察重组竹板增强胶合木梁的破坏现象和破坏形态，记录极限承载力、挠度、应变等参数。分析对比不同重组竹层板数量下重组竹板增强胶合木梁的极限承载力、破坏形态、荷载位移曲线以及荷载应变曲线等试验结果，得出相应增强后胶合木梁的承载力提高幅度，以及重组竹板用量对普通胶合木梁受弯性能的影响，并结合成本造价，综合考虑得出最优竹板层数。

3 结语

1)重组竹材与木材相比顺纹抗拉和抗压强度高，稳定性能好，有出色的延性和变形能力，环保耐磨损。竹材和木材物理力学性能相近，可以互相结合共同工作。采用重组竹板作为受拉材料用于普通胶合木梁底部受拉区切实可行。

2)根据重组竹的优越性能，提出了一种重组竹板增强胶合木梁，并借鉴国内外关于增强胶合木梁试验的研究方法，针对这种新型胶合木梁的性能和影响因素等方面的研究进行了试验方案设计。

3)在普通胶合木梁底部受拉区粘贴重组竹材料能够使梁的承载力显著提高，充分发挥受压区木材的抗压强度和受拉区重组竹的抗拉强度，提高梁的延性性能，弥补受拉区木材缺陷等问题带来的影响，有利于梁抗弯性能的提高。

［1］樊承谋，王永维，潘景龙.木结构［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］樊承谋.木结构基本原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］刘 洋，刘文金.胶合木结构建筑初探［J］.家具与室内装饰，2009(4):64-65.

［4］魏 洋，蒋身学，吕清芳，等.新型竹梁抗弯性能试验研究［J］.建筑结构，2010(1):88-91.

［5］杨会峰，刘伟庆.FRP 增强胶合木梁的受弯性能研究［J］.建筑结构学报，2007(1):64-71.

［6］陆伟东，刘伟庆，耿启凡，等.竖嵌CFRP 板条层板增强的胶合木梁受弯性能研究［J］.建筑结构学报，2014(8):151-157.

［7］Camille A.Issa，Ziad Kmeid.Advanced wood engineering:glulam beams［J］.Original Research Article Construction and Building Materials，2005，19(2):99-106.

［8］左宏亮，卜大伟，郭 楠，等.玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能的影响［J］.东北林业大学学报，2015(4):91-95.

［9］张俊珍，任海青，钟 永，等.重组竹抗压与抗拉力学性能的分析［J］.南京林业大学学报(自然科学版)，2012(4):107-111.

［10］陈 国，张齐生，黄东升，等.胶合竹木工字梁受弯性能的试验研究［J］.湖南大学学报(自然科学版)，2015(5):72-79.

［11］左宏亮，王东岳.预应力胶合木梁受压区层板胶合木受压性能试验［J］.东北林业大学学报，2014，42(6):90-94，107.