底层板指接增强措施对胶合木梁受弯性能的影响1)

左宏亮 鲁建鑫 许相宜 程堃

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (上海美固澄梵紧固件有限公司)

Spruce was used as the raw material for the experiment, and ten glulam beams of 2 850 mm×50 mm×150 mm were made. Beams were divided into five groups (CT, UF, RF1, RF2, RF3) and two in each group. Make CT and UF groups as reference groups, which represents the bottom plate of the specimen with or without the finger joint. The finger joint of specimens in the RF1/RF2/RF3 groups were reinforced by affixing carbon fiber sheets (RF1), screwing self-tapping screws with vertical beam bottom (RF2) and screwing self-tapping screws at 45°angle with beam bottom (RF3). According to the designed scheme, ten specimens of glulam beams were subjected to flexural loading tests. The influence of the bottom plate with or without the finger joint on the flexural properties of the glulam beams and the improvement of the flexural properties of the glulam beams were studied by different finger joint strengthening measures. The test results show that the flexural behavior of glulam beams are affected by the existence of finger joints, and the ultimate bearing capacity and stiffness of glulam beams with finger joints on the floor are obviously lower than those of non-finger jointed beams by 25.4% and 22.95%, respectively. The three strengthening measures enhancing finger joint adopted (affixing carbon fiber sheets, screwing self-tapping screws with vertical beam bottom, screwing self-tapping screws at 45°angle with beam bottom) can improve the flexural behavior of glulam beams. The bending limit bearing capacity of the tapered glulam beams is increased by 28.2%, 17.4% and 10.1%, respectively, and the stiffness of these glulam beams is increased to the same level as that of the non-finger bonded wood beams.

木材是一种可再生的天然资源，作为建筑材料，具有美观舒适、性能优良以及“负碳”性等诸多优点，与绿色建筑理念高度吻合[1]。木结构是以木材或木制品为主要构件，以榫卯或金属连接件连接，能承受荷载的空间或平面结构[2]。现代木结构具有节能保温、绿色环保、美观舒适、良好的抗震及耐久性能等特点[3-5]；而且可以进行工业化生产，装配式施工，尺寸能满足较高的精度，提高生产效率，减少现场工作量，具有很好的经济效益，在全世界范围内已得到了普遍认可和大力推广[6-7]。层板胶合木，是目前最主要的工程材料产品之一，已被广泛应用于各类木结构工程。对于胶合木梁，其抗弯强度易受底层板缺陷部位影响，指接作为胶合木梁纵向接长部位，属于受力薄弱部位，胶合木梁常在此发生破坏[8-9]。为此，本文针对胶合木底层板的指接部位，并在局部采取不同的增强措施，对胶合木梁进行受弯性能的试验研究，旨在为提高胶合木梁受弯性能提供参考。

1 材料与方法

选用云杉为试验原材料，制作10根2 850 mm×50 mm×150 mm的胶合木梁。将试验梁分为5组(CT、UF、RF1、RF2、RF3)，每组2根，其中：CT组为底层层板全长无指接的试件、UF组为底层层板跨中有指接的试件，2组为参照组；RF1、RF2、RF3组为增强指接试件，分别为粘贴碳纤维布试件(RF1)、垂直梁底旋入新型木结构用自攻螺钉试件(RF2)、以45°角旋入新型木结构用自攻螺钉试件(RF3)。

指接形式为垂直型指接，在木材的宽面为指接形状可见面，该种形式为生产结构梁所使用的主要形式；RF1组为梁底粘贴两层高强度Ⅱ级碳纤维布，U形箍为一层碳纤维布，其粘贴长度的确定参考文献[10]，计算后取粘贴长度为800 mm；RF2组与RF3组使用新型木结构自攻螺钉，长度分别为100、140 mm，此两试验组自攻螺钉的旋入位置、螺钉长度的设置，可保证两组试件螺钉旋入位置与指接位置的距离以及螺钉对胶合木梁的锚固深度相同。试件分组见表1，试件示意图见图1～图3。

表1 试件分组

注：试件尺寸为2 850 mm×50 mm×150 mm。

图1 RF1组试件示意图(数据单位：mm)

图2 RF2组试件示意图(数据单位：mm)

图3 RF3组试件示意图(数据单位：mm)

以与试验用材同批次的云杉作为原材料，参考文献[11]、[12]分别对15个棱柱体抗压试块和15个抗拉试件进行试验，得到本次试验用材的顺纹抗压强度38.666 MPa、顺纹抗压弹性模量8 301.14 MPa、顺纹抗拉强度81.324 MPa、顺纹抗拉弹性模量9 750.11 MPa。试验所用加载设备和测点布置如图4所示。

图4 试验装置与测点布置(数据单位：mm)

2 结果与分析

2.1 试件破坏形态

各组试验梁随着荷载的增加，先偶发细微声响，当荷载达到破坏荷载60%后，“噼”、“啪”声响逐渐增多。试件发生破坏前，CT组、UF组、RF1组试件未产生明显现象，RF2、RF3组受拉区部分木节产生细微裂缝。最终试验梁突然发出“砰”的一声巨响，随即试件破坏，试件破坏形态如下：

(1)脆性受拉破坏(见图5(a))。对于CT组无指接胶合木梁，破坏前梁身无任何现象，底板突然发生断裂，并形成纵向劈裂裂缝。

(2)指接胶合缝完全开裂(见图5(b))。对于UF组未增强指接胶合木梁，破坏前梁身无任何现象，梁底指接胶合缝突然破坏，并在相邻层板间形成纵向劈裂裂缝。

(3)指接胶合缝部分开裂(见图5(c))。对于RF1组碳纤维布增强指接胶合木梁，破坏前梁身无任何现象，试验梁的指接部位未完全开裂破坏；但指接上半部发生撕裂，并于指接中部位置向两侧产生劈裂裂缝，延伸至碳纤维布U型箍处，使U形箍处的碳纤维布在试验梁的棱边位置发生部分纤维撕裂或纤维完全断裂的现象，试验梁梁底粘贴的碳纤维布完好，未出现剥离等破坏现象。这种现象，是因为碳纤维布的粘贴对试验梁梁底起到了较好的加固作用，保护了梁底木节；但是，碳纤维布对胶合木层板的作用有限，未能有效约束指接上半部，从而导致指接上半部仍在荷载的作用下发生破坏，并且破坏瞬间释放的较大应力将作为U型箍的碳纤维布纤维崩断。

(4)梁底木节开裂(见图5(d)、图5(e))。对于RF2组垂直旋入自攻螺钉增强指接胶合木梁、RF3组45°旋入自攻螺钉增强指接胶合木梁，在加载过程中，梁底部分木节内部产生裂缝或周围斜纹理发生开裂，最终在某一开裂部位发生断裂，但指接部位未发生破坏。这是由于自攻螺钉锚固能力对指接部位起到了增强和保护作用，将破坏转移到了相对薄弱的木节处。相比之下，垂直旋入自攻螺钉对破坏裂缝的开展起到了更好的约束作用。

图5 试件破坏形态

2.2 极限荷载与荷载-挠度曲线

由表2可见：底板存在指接的胶合木梁的极限承载能力，明显低于无指接的胶合木梁，降低幅度为25.4%，说明指接的存在会明显降低胶合木梁的受弯承载力。采用的增强措施，均明显降低了底层板指接对胶合木梁受弯极限承载能力的削弱作用，RF1、RF2、RF3组分别比未对指接进行增强的试验梁的承载能力提高了28.2%、17.4%、10.1%。

表2 胶合木梁的极限荷载

注：*为ΔF=((FUF-FCT)/FCT)×100%，**为ΔF=((FRF-FUF)/FUF)×100%。式中：FUF为UF组试件极限荷载平均值，FCT为CT组试件极限荷载平均值，FRF为RF1～RF3各组试件极限荷载平均值。

由图6可见：对比没有指接的试验梁(CT组)与梁底存在指接的试验梁(UF组)的荷载-跨中挠度曲线，发现UF组曲线的斜率明显低于CT组曲线斜率，即UF组试验梁的刚度低于CT组试验梁，说明胶合木梁中指接的存在，不仅会降低梁的极限承载能力，也会对梁的刚度产生影响。

图6 荷载-跨中挠度关系曲线

经计算，CT组试验梁的刚度为0.438 4 N/mm、UF组试验梁的刚度为0.337 8 N/mm，与底层板没有指接的试验梁相比，梁底存在指接的试验梁刚度降低了22.95%。RF1～RF3组试验梁的曲线位于CT组与UF组之间，说明本试验对底层板指接采取的增强措施，除可以降低指接对胶合木梁承载力方面的影响外，还可以显著提高指接胶合木梁的刚度，使其力学性能更接近无指接胶合木梁。

2.3 荷载-应变曲线

由图7可见：在加载过程中，试件上下层板的应变随着荷载的增加呈现线性变化，且大多数试件的拉压应变变化具有对称性。在临近极限状态时，部分组别试件(如CT组、RF1组)，试验梁上部受压区与下部受拉区木质纤维的应变呈现一定的非线性变化，层板的拉压应变曲线向外扩散，单位荷载作用下拉压应变的增速变大；部分组别试件(如UF组、RF2组、RF3组)的拉压应变，则未体现出明显的非线性变化，产生这种情况试验梁的破坏多较为突然，各层板的木质纤维在破坏前仍处于弹性变形阶段。

胶合木的跨中最大拉压应变值一般为4×10-3～5×10-3；但在施加荷载大小相同的情况下，RF2组试验梁产生的拉压应变值较小，其最大拉压应变为3×10-3～4×10-3。原因是由于新型自攻螺钉的径向锚固能力很强，RF2组在跨中以垂直梁底的方式旋入自攻螺钉，在试验梁受弯状态下，自攻螺钉的径向受力性能充分发挥，限制了试验梁的拉压应变。

图7 跨中截面荷载-应变曲线

3 结论

底板存在指接的胶合木梁，极限承载能力和刚度明显低于无指接的胶合木梁，降低幅度分别为25.4%、22.95%，说明指接的存在会影响胶合木梁的受力性能。

使用碳纤维布、垂直梁底旋入新型木结构自攻螺钉、与梁底呈45°角旋入自攻螺钉3种指接增强措施，分别将胶合木梁的受弯极限承载能力提高了28.2%、17.4%、10.1%，刚度提高至与无指接试验梁刚度相近，且试验梁的破坏形态，由指接胶合缝完全开裂转变为部分或完全不开裂。

垂直旋入新型木结构自攻螺钉增强指接的方法，可充分利用自攻螺钉径向受力性能，使试验梁在承受相同大小荷载的情况下，产生更小的拉压应变。在同等荷载作用下，该组试验梁的拉压应变，比其他组别的试验梁小25%～40%。同时，将破坏转移到相对薄弱的木节处，并有效限制了破坏裂缝的开展。