预应力配筋胶合木梁受弯性能试验1)

左宏亮　孙旭　　　　左煜　　　　郭楠

(东北林业大学，哈尔滨，150040)　　　　(哈尔滨工业大学)　　　　(东北林业大学)



预应力配筋胶合木梁受弯性能试验1)

左宏亮孙旭左煜郭楠

(东北林业大学，哈尔滨，150040)(哈尔滨工业大学)(东北林业大学)

为改善普通胶合木梁受弯时挠度过大以及木材抗压强度和钢筋抗拉强度的利用不充分等缺点，提出一种新型预应力配筋胶合木梁构件。通过3组预应力配筋胶合木梁、1组普通配筋胶合木梁、1组普通胶合木梁的受弯试验，分析了普通胶合木梁、配筋胶合木梁、不同预应力水平的预应力配筋胶合木梁的受弯性能。结果表明：预应力配筋胶合木梁与普通胶合木梁相比，受弯极限承载力提高31.3%～64.4%、抗弯刚度约提高33.33%。配筋数量相同时，随着预加力的增大，构件的极限承载力提高，而抗弯刚度基本不变。配筋适量、预加力适度时，预应力配筋胶合木梁可以更好的利用木材抗压强度和钢筋抗拉强度，有效的减小梁的挠度变形，破坏时表现出较为明显的塑性破坏特征。

预应力；胶合木梁；受弯性能

胶合木构件具有缺陷分散、强度高、截面及构件形状自由等优点，因此，胶合木结构成为了现代木结构的重要组成部分[1-3]。伴随时代的发展，人们对胶合木构件的结构性能要求也逐渐提高。目前，国内外主要对普通胶合木梁受弯性能研究[4-5]，并且针对胶合木梁的受力特点提出了一些提高其承载力、变形性能的措施，主要包括配置钢筋或钢丝[6-7]以及粘贴纤维复合材料[8-11]等。

胶合木梁的承载能力，主要取决于变形和底部受拉层板的抗拉能力。普通胶合木梁在受弯时，首先在受拉边缺陷位置出现裂缝；随着挠度增大，一旦最外层木材纤维拉断，试件会由于受弯引起纵向的裂缝而导致整个构件产生脆性破坏；一般情况下此时木材的抗拉强度达到极限，而抗压强度却不能得到充分发挥。为增强胶合木梁受拉区的抗拉能力，可以在梁底部配置一定数量的钢筋。虽然，配筋增强后的胶合木梁受弯时刚度和承载力都有所提高，但仍存在短期变形较大等缺点。

为进一步改善上述问题，提出一种便于工程应用的、能够准确施加预应力并可实现随时调控的新型配筋胶合木梁。通过选取钢筋数量相同、施加预应力值不同的梁进行对比，研究预应力对配筋胶合木梁极限承载力、破坏形态、变形性能的影响。本研究的试验结果，可为预应力配筋胶合木梁在大跨度木结构中的推广应用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料性能

木材采用樟子松，按照文献[12]进行胶合木顺纹抗压试验，按GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》进行木材顺纹抗拉试验。钢筋选用HRB400级直径为18 mm的钢筋，进行抗拉试验。测得材料的物理力学性能参数见表1。

1.2试件设计

既然消费主义生活方式是造成生态危机的主要根源，那么构建绿色生活方式势必成为解决生态危机的途径之一。而绿色生活方式应该是简约适度、绿色低碳、文明健康的生活方式。

制作5组共15根普通层板胶合木梁。矩形截面尺寸为100 mm×150 mm，梁长度为3 100 mm(见图1)；层板厚度为25 mm，共6层胶合而成。梁底部距梁两侧面各15 mm处，开2个22 mm×30 mm的凹槽(见图2)。钢筋两侧端部设有螺纹，与胶合木采用螺栓锚固连接，一套锚具由4个螺母和2个钢垫板组成(见图3)。预应力采用一端固定、另一端丝扣拧张的方法进行施加。具体试件参数见表2，L0组为不配置钢筋的纯胶合木梁。

表1　材料的物理力学性能

图1　试件侧面(数值单位为mm)

图2　试件横截面(数值单位为mm)

图3　垫板、螺母(数值单位为mm)

试件组号钢 筋直径/mm数量/根总预加力/kNL0———L11820 L218215.26L318230.52L418245.78

1.3加载方式及测点布置

加载装置和测点布置见图4。采用对称三分点分级加载方式，通过15 t力传感器显示每级荷载。加载初期，每级荷载按预估极限荷载的10%增加；到达预估极限荷载的50%后，每级荷载按预估极限荷载的5%递增；到达预估极限荷载的80%后，记录此时跨中挠度(ω0)；之后，每级荷载按0.1ω0递增，直至破坏。每加载1次，标记裂缝开展，观察配筋胶合木梁的破坏现象。

在支座、三分点和跨中共设置5个位移计，在梁的三分点、跨中截面沿梁高设置6个应变片，每根钢筋跨中设置1个应变片。试验数据均由DH3816N静态应变测试系统同步采集。

图4　加载装置及测点布置(数值单位为mm)

2　结果与分析

2.1破坏形态及破坏机理

试验过程中无明显开胶现象。在加载初期，胶合木与钢筋共同作用，配筋胶合木梁处于弹性阶段；当荷载达到极限荷载的65%左右，试验梁发出木纤维的撕裂声，随后胶合木梁底部层板被拉断，最终直至跨中挠度达到规定挠度时认为试件破坏。规定挠度参照GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》，取挠度达到跨度的1/50；本试验的规定挠度为60 mm。施加预应力会使配筋胶合木梁产生反拱，在外荷载作用下梁的反拱要先恢复；因此，与未施加预应力的配筋胶合木梁相比，相同荷载作用下，预应力配筋胶合木梁一定程度减小了试件的变形。典型试件的破坏形态见图5，破坏形态可归纳为下面3种：

(1)受拉区层板脆性拉断破坏(见图5(a))。对普通的胶合木梁L0组，破坏发生在底层层板的指接处或者木材的天然缺陷处。在这些缺陷处容易产生应力集中，因此加快了受拉区底部达到极限拉应力而被拉断，表现为脆性破坏，具有突然性。

(2)受拉区层板拉断，变形达到规定挠度破坏(见图5(b))。对未施加预应力的配筋胶合木梁L1组，底部受拉区层板达到极限拉应力后断裂或在底层的指节处断裂。底层板受拉破坏之后，试件仍可以继续承载，受拉区配置的钢筋和受压区木材共同作用。最终，直到试件的挠度达到规定挠度而认为破坏。这种破坏较为突然，没有明显的先兆，延性较差。造成这种破坏的原因：一方面，是钢筋与木材的抗拉能力不同，钢筋的极限拉应力远大于木材的极限拉应力，因此在加载过程中，木材会先达到极限拉应力而破坏；另一方面，由于木梁底部设有凹槽，从而削减了底层木材的抗拉能力。

图5　试件破坏形态

(3)受拉区层板拉断，端部局压破坏(见图5(c))。一般为受拉区层板拉断，压区有微小褶皱，两侧垫板有翘起的局压破坏。对预应力配筋胶合木梁L2～L4组，由于施加一定的预应力，使试件产生反拱，在荷载作用下破坏形态基本与未施加预应力的配筋胶合木梁相同。在最终破坏时，受拉区层板在凹槽处被拉断，产生横向裂缝，顶层受压区木节和胶层等薄弱处出现微小裂纹和褶皱，并且连接钢筋与木梁的锚具垫板有翘起现象(见图5(d))。垫板翘起的主要原因，是胶合木梁底部开槽，造成垫板与木梁接触面积缩小，产生局压破坏。这种破坏有一定先兆，具有良好的延性。这是因为，对胶合木梁施加预应力会使预应力配筋胶合木梁截面上的拉应力主要由预应力钢筋承担，胶合木梁主要承担压应力，而木材在压力作用下可以表现出良好的强度和延性。

2.2荷载—跨中挠度曲线

由图6可知：普通胶合木梁L0组的荷载—挠度曲线呈线性变化；配有钢筋未施加预应力的胶合木梁L1组与施加预应力的配筋胶合木梁L2～L4组的荷载—挠度曲线形式基本相同。取荷载未有明显下降段的最大荷载为极限荷载，小于极限荷载60%左右时曲线呈线性变化，梁处于弹性阶段，刚度为常数；之后曲线呈弯曲平缓状态，刚度开始下降，达到极限荷载后出现下降段；然后，随挠度增大承载力又有所上升，最后到达规定挠度试件破坏。

承受相同荷载的情况下，总预加力越大，梁的挠度变形越小。这是由于施加的总预加力越大，梁产生的反拱越大，能够抵消荷载引起的变形越多，从而梁的挠度变形越小。表明：预应力配筋胶合木梁，可以改善木梁跨中挠度过大问题。

L1组比L0组的刚度提高了50.8%；L1～L4组对应的曲线斜率基本相同。说明总预加力的大小，对预应力配筋胶合木梁的刚度影响不明显。

由表2可见：L1组比L0组承载力提高29.6%；随总预加力的增大，L2～L4组与L0组相比，梁的极限承载力提高幅度分别为31.3%、43.8%、64.4%；随总预加力的增大，L2～L4组与L1组相比，梁的极限承载力提高幅度分别为1.3%、11.0%、26.8%。说明总预加力的大小，对预应力配筋胶合木梁的承载力有一定幅度的提高作用，并且总预加力越大，梁的极限承载力提高的越多。

图6　荷载—跨中挠度曲线

试件编号总预加力/kN承载力极限承载力/kN承载力提高幅度/%L00 23.3—L1030.229.6L215.2630.631.3L330.5233.543.8L445.7838.364.4

2.3荷载—应变曲线

由图7可见：试件从开始加载至破坏过程中，各层板的应变随荷载的增加基本呈现线性变化；到加载后期，试件的应变出现非线性变化，这表示试件已经开裂发生了破坏。

L0、L1组，在加载过程中应变都是从原点开始，梁最上部层板至第三层板一直处于受压状态，第四层板至梁最下部层板一直处于受拉状态。L2～L4组，随着荷载的增加最上部两层板由受拉状态转变为受压状态，下部四层板由受压状态转变为受拉状态，达到一定荷载时沿截面高度各层板应变曲线在图左侧相交于一点，说明此时沿截面高度各层板应变大致相同且均为受压状态。

L0～L4组破坏时，胶合木梁受拉区最底部层板应变都基本为3×10-3，胶合木梁受压区最顶部层板应变分别为-2.5×10-3、-3.0×10-3、-3.1×10-3、-3.5×10-3、-3.9×10-3(负值代表压应变)。说明普通的胶合木梁、配筋胶合木梁、预应力配筋胶合木梁破坏时，受拉区都达到相同的极限拉应变，而受压区的极限压应变却不同。L1组与L0组相比，受压区极限压应变有了提高；L2～L4组与L1组相比，受压区极限压应变又随总预加力的增加得到更进一步提高。因此，预应力配筋胶合木梁能够使木材的抗压强度利用的较为充分，破坏时塑性的破坏特征更为明显。

L1～L4组破坏时，钢筋的最大拉应变分别1.35×10-3、1.50×10-3、1.62×10-3、1.74×10-3；计算得相应的最大拉应力分别为270、300、324、348 MPa。根据钢筋的材性试验测得，应力达到约400 MPa时，钢筋进入塑性阶段。说明L1～L4组的钢筋在试验过程中一直处于弹性阶段，并且随总预加力的增加，钢筋的利用率有所提高，更好地发挥出钢筋良好的抗拉性能，弥补了木材抗拉能力不足和胶合木梁底部开槽对梁底部受拉能力的影响。

L1～L4组钢筋的曲线，基本与胶合木梁第五层板的曲线重合或者平行。这是由于钢筋位于胶合木梁第五层板和第六层板之间，但与胶合木梁第五层板应变片的位置最接近，从而在加载过程中，钢筋和胶合木梁第五层板的应变增量是相同的，即斜率相同。L1组由于未施加预应力，钢筋和胶合木梁第五层板的应变都是从0开始，加载开始后两者共同变形，应变增量相同。因此，这两条曲线基本重合。L2～L4组，由于施加预加力，钢筋先受拉，而胶合木梁第五层板先受压，从而使它们在加载前初始应变不同；加载开始后，两者共同作用，它们的应变增量应该是相同。所以，L2～L4组的这两条曲线起点不同、斜率相同，是平行的。在加载后期，部分试件由于垫板翘起等原因，使钢筋产生滑移，钢筋的应变增量变小，从而使钢筋和胶合木梁第五层板的曲线有靠拢、相交的现象。

左侧为受压区，右侧为受拉区；第一层板为胶合木梁最上部层板，第六层板为胶合木梁最下部层板。纵坐标为“荷载/kN”。

图7荷载—应变曲线

2.4截面应变曲线

图8为典型试件的截面应变曲线。其中压应变为负值，拉应变为正值，图中预应力配筋胶合木梁横截面的应变基本呈线性分布。因此，计算此类构件时，可采用平截面假定。

由图8可见：随荷载的增加，L0、L1组的跨中截面中和轴位置保持不变，约在梁高的1/2位置处；L2～L4组的跨中截面中和轴的位置都从梁高的1/2处略向受拉区偏移，并且随荷载的增加位置保持不变，其中L4组最为明显，约偏移3 mm。说明受压区高度略微增加。再一次的证明了预应力配筋胶合木梁，可以使木材抗压能力的利用更充分。

图8　跨中截面沿梁高度应变曲线

3　结论

为改善胶合木梁短期变形较大和配筋胶合木梁钢筋利用不充分等缺点，提出一种新型预应力配筋胶合木梁。与普通胶合木梁相比，其受弯极限承载力提高了31.3%～64.4%，抗弯刚度约提高了33.33%。

当配置钢筋适量、施加预应力适度时，预应力配筋胶合木梁顶层受压区木节和胶层等薄弱处出现微小裂纹和褶皱。木材的抗压强度和钢筋的抗拉强度得到较好的发挥，表现出较明显的塑性破坏特征。

当配置钢筋数量相同时，随着预加力的增加，预应力配筋胶合木梁的挠度变形减小、极限承载力相应提高，而抗弯刚度没有明显变化。

预应力配筋胶合木梁跨中横截面应变随高度呈线性变化，在计算此类构件时可采用平截面假定。并且随着荷载的增加，中和轴的位置保持不变。

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Bending Performance Test on the Prestressed Reinforced Glue-lumber Beam//

Zuo Hongliang, Sun Xu

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Zuo Yu(Harbin Institute of Technology); Guo Nan(Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：42-46.

Prestress； Glulam beam； Bending performance

左宏亮，男，1964年3月生，东北林业大学土木工程学院，教授。E-mail：zhl9163@163.com。

2015年9月22日。

S781.23；TU366.3

1)国家林业局林业科学技术研究项目(2014-04)；黑龙江省自然科学基金项目(E201402)。

责任编辑：张玉。