定向刨花板加固腹板开洞竹木工字梁力学性能研究

陈 国，于云飞，李 祥，何 彬，郑乃浩，赵 欢



定向刨花板加固腹板开洞竹木工字梁力学性能研究

陈 国，于云飞，李 祥，何 彬，郑乃浩，赵 欢

（南京林业大学土木工程学院，南京 210037）

为研究定向刨花板（oriented strand board，OSB）加固腹板开洞的竹木工字梁的力学性能，揭示其受力破坏机理。以孔径与腹板高度的比值（/w）和补强板型为参数，制作并测试了42根竹木工字梁，考察测试过程中的破坏形态、弯曲变形性能，分析各因素对工字梁力学性能的影响规律。结果表明，当孔径较小（/w≤25%）时，试件的破坏形态以翼缘内OSB层裂和腹板剪切破坏为主，孔洞对开洞梁承载力和刚度的影响较小，可忽略不计。当孔径较大（/w>25%）时，破坏形态以洞口周边受拉和受压破坏为主，随着孔洞直径增加，孔洞的不利影响愈发明显，开洞梁的承载能力呈下降趋势，但对梁的刚度影响较小。OSB补强板能有效约束孔角裂缝开展，加固后的开洞梁的开裂荷载、正常使用极限状态荷载和承载能力极限状态荷载较未加固开洞梁明显提高，平均提高52.9%、12.1%和28.2%。但OSB补强板对开洞梁抗弯刚度的改善作用不明显，平均提高仅为11.5%。承载力和刚度的提高幅度与补强板类型密切相关，其中，套环定向刨花板（collar oriented strand board，C-OSB）增强效果最好、双U型定向刨花板（two U shaped oriented strand board，TU-OSB）次之，U型定向刨花板（U shaped oriented strand board，U-OSB）最差。C-OSB适合于管道施工前对开洞梁进行加固，而U-OSB和TU-OSB适合加固/w不大于75%的开洞梁。粘贴OSB加固开洞竹木工字梁是一种有效的加固方法。

荷载；竹；木；定向刨花板；加固；工字梁；腹板开洞；破坏机理

0 引 言

中国的竹资源的种植面积和加工利用水平居世界前列，竹子作为一种环保型的新型建材，具有成材周期短、力学性能稳定以及可再生等优点[1-6]，在建筑领域一直都有应用[7-13]。定向刨花板（oriented strand board，OSB）主要以小径材和速生间伐材等为原料，用刨片机刨削成长40~120 mm，宽5~20 mm，厚0.3~0.7 mm的木片，经干燥、施胶、定向铺装和热压而成的一种结构板材，被广泛应用于欧美国家的木工字梁腹板材料、楼（屋）面板和墙面板[14-16]。将竹材和OSB有机组合，充分发挥各自的优点，通过胶粘剂和钉子连接，组成竹木组合梁构件[17-18]。

在工业建筑和民用建筑中，在梁腹板上开洞供通风管道、给排水管道和电路系统穿行是增大房屋净高及降低工程造价的有效途径。已有研究表明孔洞尺寸是影响开孔梁承载力、刚度和破坏形态的关键因素[19-21]，随着开洞高度和长度的加大，开孔梁的抗剪承载力和刚度将显著下降。Zhu等[20]则认为腹板开洞后，洞口削弱了腹板的有效截面并改变了腹板内的应力分布状态，孔角应力集中也使得裂缝过早产生，组合梁的受力性能和破坏机理也将随之发生改变。腹板开孔梁不仅在剪力或弯矩最大值处可能发生破坏，也可能在开孔处发生破坏，若处理不当，极易引发工程事故。尽管ASTM D5055（2010）以及GB/T 50772-2012《木结构工程施工规范》规定了木工字梁腹部的开洞位置和孔洞尺寸，却未曾涉及竹木工字梁。

在以往的实际工程中，由于开洞导致承载力不足的木梁通常用直接替换法进行维修，但直接替换法必须移除已有的管道设施并且可能引起其余与之相连构件的损坏。竹梁和木梁抗弯加固方法包括粘贴FRP[22-24]、竹板[25]、钢板[26-27]和OSB[28]等。尽管粘贴FRP加固法可以有效提高梁的极限承载力，但对抗弯刚度的增强效果不明显，且FRP造价较高。Morrissey等[27]采用在孔洞上、下方的腹板处粘贴角钢的方法加固开孔木工字梁，结果表明，加固后的木梁试件的初始弯曲刚度较对比试件均有较大提高，但粘钢法并不适合加固孔洞直径较大的梁。Polocoser等[28]进行了OSB板加固开洞木工字梁的试验研究，由于OSB板能有效约束孔角裂缝开展，使加固木工字梁的受弯承载力和刚度明显提高。国内外对开洞梁加固的研究仍存在以下问题：1）较少对OSB作为加固件的性能进行研究，以往的研究主要集中在FRP、和钢板等加固方式；2）在竹木工字梁的施工和使用过程中，施工方或业主有时会在未征询结构工程师的前提下违规开设洞口布置管道。已有研究均针对开洞梁未施工前进行加固，而实际工程中往往出现楼板梁和管道设备安放到位后再被开洞，此时采用现场加固法而不必移除管道显得尤为重要。

为研究OSB板加固的腹板开洞竹木组合工字梁的承载能力、刚度、韧性和破坏机理等，对42根竹木工字梁开展试验研究，并据此提出相应的结论和建议，为此类开孔梁的维修加固提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料性能

竹集成材（laminated bamboo lumber，LBL）翼缘采用的竹种为毛竹，产自湖南省桃江县，竹龄为4a。新鲜大径毛竹经刨削、干燥、蒸煮、炭化、涂胶和热压等工序加工成25 mm×35 mm×2 440 mm的翼缘，由东莞湘楠竹木制品有限公司提供。OSB是以速生意杨为原料，经干燥、施胶、定向铺装和热压而成的一种结构板材。腹板、加固用补强板和衬板均为同批次的OSB，厚度均为9 mm，由湖北宝源木业有限公司提供。材性试验参照《木材含水率测定方法》GB/T 1931-2009和ASTM D 143-14进行，竹集成材和OSB的各项物理力学性能可通过含水率试验（20 mm×20 mm×20 mm）、拉伸试验（9 mm×9 mm× 450 mm）和压缩试验（50 mm×50 mm×200 mm）获得。实测结果参见表1，表中的数值为平均值。

表1 竹集成材和定向刨花板物理力学性能

试验用胶粘剂由盐城壹加壹电子材料有限公司提供，型号为YY5016A/B的双组份常温固化环氧树脂胶，按照A∶B=2∶1的质量配比，其材料参数由厂家提供，详见表2。

表2 胶粘剂材料参数

1.2 试件设计

为充分利用竹材抗拉/压性能好和OSB的抗剪性能，组合梁设计为工字型截面，如图1所示。参照目前国内外常见木工字梁的尺寸设计竹木工字梁试件[27-28]，上、下翼缘宽度×高度=59 mm×35 mm，梁净跨=2 000 mm，梁高=240 mm，腹板高=170 mm，腹板厚度=9 mm。为获得良好的粘接性能，涂胶前，用砂轮机和砂纸对OSB腹板和竹集成材翼缘的粘胶面进行打磨处理，并用丙酮进行表面清洁，去除木屑和灰尘等影响黏结性能的不利因素，用刷子将环氧树脂胶均匀涂抹到粘胶面，从而将腹板和翼缘胶结成整体，涂胶量为250 g/m2。随后，选择直径为2.8 mm、长度为40 mm的圆钉从翼缘侧面钉入，从而形成工字型截面组合梁。为避免钉子沿纵向劈裂竹翼缘，钉子需错列布置，间距为150 mm。

为防止支座处和跨中受力点处的腹板发生局部屈曲破坏，分别设置3对竹集成材加劲肋（25 mm×35 mm× 160 mm）和腹板胶结，支座处的加劲肋底面和下翼缘顶紧，顶面和上翼缘保留10 mm的缝隙，而布置于跨中集中荷载作用点处的加劲肋顶面与上翼缘顶紧，如图1b所示。

注：tw为腹板厚度，mm；hw为腹板高度，mm；t为翼缘高度，mm；H为梁高，mm；b为翼缘宽度，mm，下同。

将制备好的试件置于湿度（65%±10%）、温度（20±5 ℃）的养护室内进行养护，龄期为10～14 d试件共分14组，每组3个相同试件。圆孔直径是影响腹板开洞梁的主要因素之一，因此制作1组未开洞梁作为对比试件，记为i1；腹板开洞梁试件制作4组，孔径与腹板高度的比值（/h）为25%、50%、75%和100%各1组，圆洞中心位于中性轴且距离左支座均为250 mm，依次记为ci1～ci4。由于腹板开孔的存在，势必造成工字梁承载力在开孔处发生削弱，且降低其刚度性能，为研究不同OSB补强板型对开洞梁性能的影响程度，制作9组开洞梁试件，依次记为i2～i10。其中，i2、i5和i8的试件开洞情况与ci2、ci3和ci4相同，分别在洞口两侧粘贴套环定向刨花板（collar oriented strand board，C-OSB），如图2a所示。显然，采用C-OSB补强板仅适合于安装管线设备前施工，但在房屋实际使用过程中业主可能在未征得结构工程师同意的情况下擅自开设孔洞布置管线，此时必须先移除孔洞处的管道设施方可采用C-OSB进行加固，这无疑增加了施工难度。因此，本文提出在不移除管线设施的前提下，采用双U型定向刨花板（two U shaped oriented strand board，TU-OSB）和U型定向刨花板（U shaped oriented strand board，U-OSB）对开洞梁进行加固。制作了3组采用TU-OSB补强板加固的试件（图2b），记为i3、i6和i9；制作了3组采用U-OSB补强板加固的试件（图2c），分别记为i4、i7和i10。

注：d为圆洞直径，mm。下同。

在补强板和腹板间放置4块尺寸为25 mm×35 mm× 160 mm的竹集成材衬板，衬板两端与上、下翼缘间预留5 mm缝隙。衬板、腹板和补强板之间通过环氧树脂粘接，用胶量为250 g/m2。采用直径为2.8 mm的钉子将补强板和衬板固定在腹板上，钉中心距为50 mm，边距和端距不小于15 mm。补强板高同梁高，均为240 mm，圆孔中心到补强板边的距离[28]为，用于加固孔径为85、127.5和170 mm的开洞梁的补强板宽分别为170、255和340 mm，具体参数见表3。

表3 试件参数

注：为圆洞直径，mm；为补强板宽度，mm；为补强板高度，mm。下同。

Note：is diameter of circular opening, mm;is width of reinforcement plate, mm;is heigth of reinforcement plate, mm. The same as below.

1.3 量测内容与加载方案

根据试验中各处位移的估测，选用激光位移计测量试件跨中和支座处的竖向位移，以详细记录试件加载过程中的变形情况。作动器的荷载值、位移计读数通过东华DH3820静态应变测量系统自动采集，采样频率为1 Hz。

试件采用杭州邦威电液伺服系统进行单调加载，如图3所示。分别在支座端布置2套钢侧向支撑，防止试件加载过程中发生整体失稳破坏。在跨中加载点和支座处分别放置一块10 mm厚的钢垫板，以确保试件不发生局部承压破坏。参照《木结构试验方法标准》GB/T 50329-2012，正式加载前先对试件进行预加载至2 kN，以消除试验梁和加载装置之间的缝隙，确认仪表设备工作正常后卸载至原始状态。正式加载采用位移控制匀速加载，初期加载速度为2 mm/min，正常使用极限状态后降至1.5 mm/min直至试件破坏，以便详细记录试件的破坏过程。

使用SPSS20.0软件对本文122例糖尿病视网膜病变患者的指标数据进行分析,卡方检验,以%形式展开患者视力提高率,t检验,以±s形式展开各项指标变化情况,两组患者组间差异存在统计学意义以P<0.05展开。

图3 加载装置及位移计布置

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及形态

2.1.1 未开洞试件

对比试件i1的腹板未开洞，加载初期，腹板和翼缘表现出良好的协同工作性能。荷载增加至27.82 kN左右时，靠近跨中的上翼缘内OSB首先发生层间开裂（图4a），并伴随不断加剧的声响。随着荷载持续增加，裂缝变宽并向支座端快速发展，少数钉子拔出或剪断。加载至极限荷载时，伴随着巨大的声响，跨中腹板均发生了剪切破坏，裂缝方向与梁纵向呈45°左右（图4b）。试件的破坏通常始于翼缘内的OSB层裂，破坏时翼缘始终无明显可见破坏，亦未发生木工字梁[19-21]和竹梁[29-30]试验中常见的断裂垮塌现象。

2.1.2 开洞试件

ci1～ci4试件腹板开设了直径逐渐递增的圆孔，/w分别为25%、50%、75%和100%。对于/w为25%的ci1而言，其破坏形态类似于试件i1。随着/w的增大，ci2～ci4的破坏为腹板圆孔角部最先发生裂纹（图4c），并迅速扩展至翼缘，随后圆孔上下残余部分腹板退出工作，内力发生重分布，圆洞处翼缘将同时承担弯矩和剪力，致使试件的承载能力显著下降，尽管孔洞处的上、下竹翼缘发生较大的挠曲变形，但未发生断裂。不难发现，孔径是影响开孔梁受力性能的一个主要因素，当孔高不大于0.25倍腹板高时，圆孔的影响可忽略，这与Chen等[18]的发现基本一致。

图4 主要破坏形态

2.1.3 加固试件

当/h大于25%时，孔洞的影响变得不可忽略，需对开孔处的腹板采取加固措施。试件i2、i5、i8分别开设了/h为50%、75%、100%的圆洞，同时两侧成对粘贴C-OSB补强板。试件的破坏形态基本一致，以i2试件为例，C-OSB极大地限制了孔洞边缘的裂缝发展，当补强板洞口右上角和左下角处边缘内产生的拉应变超过OSB的极限拉应变时，补强板左下角和右上角产生斜裂缝并快速发展（图4d）。当C-OSB退出工作后，洞口处的剪力将由腹板单独承担，腹板随即从翼缘内被拔出并退出工作。试验结束前，试件的承载能力并未完全丧失，当降至60%极限荷载后，荷载降速变缓，翼缘内OSB亦发生了轻微的层间开裂，卸载后试件的变形大部分可恢复。

试件i3、i6、i9腹板孔洞两侧粘贴TU-OSB补强板，在荷载分别增至21.70、19.62和16.07 kN时，首先在补强板上的洞口右上角或左下角产生了第1条裂缝并快速发展，裂缝发展方向与水平向呈40°左右。孔洞另一对角线的角部亦产生裂缝，裂缝迅速延伸至翼缘并往水平方向发展，裂缝数量和宽度不断增加，当荷载增至极限荷载时，伴随一声巨响，跨中挠度急剧增大。破坏时，补强板发生了层间开裂，右上角钉子被部分拔出（图4e）。

在试件i4、i7、i10孔洞两侧成对粘贴U-OSB，其破坏现象均无显著差异。试件的破坏形态基本一致，以i10试件为例，在荷载增至14.21 kN时，腹板和U-OSB的右上角处发出较明显的撕裂声响，裂缝变宽变长，左上角处出现了受压褶皱现象，跨中挠度渐趋明显（图4f）。与C-OSB组和TU-OSB组相比，U-OSB抑制裂缝的程度较弱，因而对开洞梁的抗剪承载力的增强效果较小。当洞口处边缘受拉破坏后，腹板和补强板下部才开始发生压溃破坏。当荷载增至21.86 kN时，其承载力出现缓慢的下降趋势。当跨中变形达到24.12 mm时，试件承载能力降至30%极限荷载。试验结束后，i10试件未完成丧失承载能力，尚能承受7.2 kN，裂缝长达200 mm。

2.2 承载能力

表4给出了试件的主要试验结果，包括承载能力极限荷载P、开裂荷载P、正常使用极限状态荷载P/250、各试件与对比试件i1的P/250的比值。建筑结构和构件的极限状态分为正常使用极限状态和承载能力极限状态，竹梁和木梁的极限承载能力通常由正常使用极限状态所决定[22-24]。根据《木结构设计规范》GB50005-2017的规定，木质工字梁正常使用极限状态下的跨中允许挠度[]=/250=8 mm。当加载过程中腹板产生裂缝时的荷载，即为开裂荷载。对于/w≤25%的试件而言，裂缝通常在翼缘内的OSB层间产生（图4a），对于其他试件，裂缝通常在孔洞斜对角线受拉区产生。

表4 各试件承载力、抗弯刚度和韧性

注：P为承载能力极限荷载，kN；P为开裂荷载，kN；P/250为正常使用极限状态荷载，kN；为各试件与对比试件的P/250比值；0为抗弯刚度，kN·mm-1；0.85为韧性指数。下同。

Note：Pis load carrying capacity under ultimate limit state, kN;Pis cracking load, kN;P/250is load carrying capacity under serviceability limit state, kN;is ratio ofP/250of joists to control joist;0is bending stiffness, kN·mm-1;0.85is toughness index. The same as below.

孔径是影响开洞梁力学性能的一个重要因素，孔洞削弱了腹板的有效截面并改变了圆孔附近腹板的应力分布状态，从而降低了试件的极限承载力。对于/w不大于25%的梁ci1而言，其极限承载力P较对比试件i1降低约8.2%，圆孔的影响可忽略。然而，试件ci2、ci3和ci4的/h分别为50%、75%和100%，其极限承载力较未开洞的试件i1降低25.1%、35.6%和56.1%，平均降低38.9%。由此可见，圆孔的不利影响随着孔径的增大而愈发显著。

对于孔径较大的梁(/h≥50%)而言，试件的破坏均始于孔洞处的腹板开裂，且迅速往上、下翼缘扩展，从而最终发生破坏。因而，裂缝是开洞梁最终发生破坏前的一个征兆。ci1、ci2、ci3和ci4的开裂荷载仅为i1的88.6%、64.3%、48.5%和31.5%，最大降幅达68.5%。粘贴OSB补强板可有效延缓裂缝开展，开洞梁的开裂荷载P较未加固开洞梁试件有明显改善，提高幅度为7.8%～122.1%，平均提高52.9%；极限荷载显著提高2.2%～67.5%，平均提高28.2%。与此同时，加固试件破坏时的极限位移亦有所增加，其中，粘贴C-OSB板时的极限位移增加值最大，达19.4%，而粘贴TU-OSB板时次之，平均增幅14.0%；而粘贴U-OSB板的加固梁试件增幅最小，仅为9.4%。

试件ci1、ci2、ci3和ci4的/h分别为25%、50%、75%和100%，其正常使用极限状态承载力P/250较未开洞的试件i1降低3.5%、21.0%、29.6%和45.3%。因而，/h不大于25%的腹板开洞梁可不加固，/h大于50%的梁则必须采取必要的措施加固。粘贴OSB板加固后，试件达允许挠度时的荷载值提高幅度为9.7%～37.3%，平均提高21.1%。ci2、ci3和ci4的开洞情况相同，分别经C-OSB、TU-OSB和U-OSB加固，其承载力P较i2提高18.2%、10.5%和7.7%，平均提高12.1%；ci3、ci6和ci9的/h分别为50%、75%和100%，均采用C-OSB加固，其承载力P250较i2提高10.5%、14.1%和14.8%。因此，增幅与孔洞直径和补强板类型密切相关。尽管粘贴OSB板加固法能显著提高开孔梁正常使用极限状态下的承载能力，但TU-OSB和U-OSB不适合加固/h大于75%的开洞梁。

2.3 荷载-跨中挠度曲线

图5为不同/h梁的荷载-挠度关系曲线，结合表4破坏过程中各特征点的荷载和位移试验结果可知，从开始加载至达到承载能力极限承载状态前，梁均无明显的屈服点，表现出典型的脆性破坏特征；圆洞对试件极限承载力和极限位移有着显著的影响。ci1、ci2、ci3和ci4孔径逐渐增大，其承载能力和极限位移减小；OSB补强板的阻裂增强作用延缓了裂缝的开展，C-OSB的增强效果最好，TU-OSB次之，U-OSB最差；试件的变形过程大致可分为3个阶段：初始裂缝阶段、裂缝稳定扩展阶段、破坏阶段。达到正常使用极限状态前，试件各截面始终处于线弹性阶段，表现出良好的受力性能。试件达到峰值荷载后，随即进入破坏阶段，但经OSB补强板加固的开孔梁承载力较未加固的开洞梁的下降速度更缓慢。

2.4 抗弯刚度

试件的抗弯刚度0参照《建筑结构用木工字梁》GB/T 28985-2012和ASTM D 5055-05，按式（1）计算。

式中ΔP为在荷载-跨中位移曲线图中0.1Pu～0.4Pu间的直线段内的载荷增量（即载荷P1、P2差的绝对值），Δy为在ΔP作用下试件跨中处变形，a为加载垫块和支承垫块的中心距离，a=0.5L=1 000 mm。

对于未加固的竹木工字梁而言，随着孔径越大，试件抗弯刚度呈下降趋势。/w越大，孔洞带来的不利影响越显著。开洞梁经OSB加固后，其抗弯刚度呈明显增大趋势，平均提高11.5%，其中C-OSB板型增幅最大，TU-OSB次之，U-OSB最小，且/w越大，增幅越显著。

2.5 韧 性

根据竹木工字梁荷载-跨中挠度曲线的特点，通过积分的方法求得各试件在破坏过程中吸收的能量，如图6所示。其中，为极限荷载点，为极限位移，为荷载-位移曲线下降至85%时的荷载，为对应于85%时的位移。采用能量比值法计算韧性指数[31]，按式（2）计算。

式中0.85为荷载下降至极限荷载85%时对应的韧性指数；OAB为达到峰值荷载时对应的曲线下的面积；OACD为荷载下降至85%时对应的曲线下的面积。随着孔径的增大，竹木工字梁韧性呈下降趋势，但经OSB加固后，其韧性略有提高，但作用不明显（表4），这与组合梁达到承载能力极限状态后突然丧失了较大承载能力的破坏现象相对应。

注：为极限荷载点；为极限位移；为85%的极限荷载点；为对应于85%极限荷载（u）的位移。

Note：is point of ultimate load, kN;is displacement corresponding to ultimate load, mm;is point of 85 percent of the ultimate load, kN;is displacement corresponding to 85 percent of the ultimate load (u), mm.

图6 韧性指数示意图

Fig.6 Diagram of toughness indices

3 结 论

1）孔径是影响腹板开孔梁力学性能的一个重要因素，当孔高不大于0.25倍腹板高度时，圆孔的影响可忽略，破坏形态以翼缘内OSB层裂为主，无需对开孔梁进行加固处理。当孔洞直径大于50%腹板高度时，随着孔洞直径的增加，圆孔的不利影响将愈发显著，破坏形态以洞口周边受拉和受压破坏为主。

2）竹木工字梁破坏表现出典型的脆性破坏特征，未发生木梁和竹梁试验中常见的整体断裂现象，且竹集成材翼缘保持完好，无明显可见破坏，这有利于避免人员和财产的损失。

3）OSB补强板可有效阻止裂缝开展，开洞梁的开裂荷载较未加固开洞梁平均提高52.9%，达到允许挠度时的荷载平均提高12.1%，承载能力极限状态荷载提高28.2%。粘贴OSB板加固开洞竹木工字梁试件的初始弯曲刚度较对比试件略有提高，平均提高11.5%。

4）OSB补强板对开洞梁承载力和刚度的加固效果与板类型关系密切，孔径越大，增强效果越明显。其中，以C-OSB效果最好，TU-OSB次之，U-OSB最差。从施工难易程度看，C-OSB适合于管道施工前对开洞梁进行加固，而U-OSB和TU-OSB适合加固/w不大于75%的开洞梁。实际工程中，应根据具体情况选择适当的补强板型。

[1] 单波，高黎，肖岩，等. 预制装配式圆竹结构房屋的试验与应用[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40(3)：7－14. Shan Bo, Gao Li, Xiao Yan, et al. Experimental research and application of prefabricated bamboo pole house[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2013, 40(3): 7－14. (in Chinese with English Abstract)

[2] Xiao Y, Chen G, Feng L. Experimental studies on roof trusses made of glubam[J]. Materials and Structures, 2014, 47(11): 1879-1890.

[3] Xiao Y, Wu Y, Li J, et al. An experimental study on shear strength of glubam[J]. Construction and Building Materials, 2017, 150: 490－500.

[4] Li H T, Wu G, Zhang Q S, et al. Mechanical evaluation for laminated bamboo lumber along two eccentric compression directions[J]. Journal of Wood Science, 2016, 62(6): 1－15.

[5] Xu Q F, Chen L Z, Harries K A, et al. Combustion performance of engineered bamboo from cone calorimeter tests[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2017, 75(2):1－13.

[6] Huang D S, Bian Y L, Zhou A P, et al. Experimental study on stress-strain relationships and failure mechanisms of parallel strand bamboo made from phyllostachys[J]. Construction and Building Materials, 2015, 77: 130－138.

[7] Sharma B, Gatoo A, Bock M, et al. Engineered bamboo for structural applications[J]. Construction and Building Materials, 2015, 81: 66－73.

[8] 李玉顺，沈煌莹，单炜，等. 钢-竹组合工字梁受剪性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2011，32(7)：80－86. Li Yushun, Shen Huangying, Shan Wei, et al. Experimental study on shear behavior of I-shaped section bamboo-steel composite beams[J]. Journal of Building Structures, 2011, 32(7): 80－86. (in Chinese with English Abstract)

[9] He M, Li Z, Sun Y, et al. Experimental investigations on mechanical properties and column buckling behavior of structural bamboo[J]. Structural Design of Tall and Special Buildings, 2015, 24(7): 491－503.

[10] 黄政华，曲妮妮，徐懿，等. 钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验[J]. 农业工程学报，2015，31(24)：179－185. Huang Zhenghua, Qu Nini, Xu Yi, et al. Test on in-plane stability capacity of bamboo arches with steel hoop-carbon fiber composite joints[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 179－185. (in Chinese with English Abstract)

[11] 赵卫锋，张武东，周靖，等. 薄壁方型钢管/竹胶板组合空芯柱轴心抗压性能[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：37－45. Zhao Weifeng, Zhang Wudong, Zhou Jing, et al. Axial compression behavior of square thin-walled steel tube- laminated bamboo composite hollow columns[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 37－45. (in Chinese with English Abstract)

[12] 赵卫锋，谷伟，周靖，等. 带约束拉杆钢管/竹胶板组合空芯短柱的偏心抗压性能[J]. 农业工程学报，2016，32(15)：75－82. Zhao Weifeng, Gu Wei, Zhou Jing, et al. Eccentric compression behavior of thin-walled steel-tube/bamboo- plywood assembling short hollow column with binding bars[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 75－82. (in Chinese with English Abstract)

[13] 魏洋，纪雪微，周梦倩，等. 销栓型竹-混凝土组合结构的力学性能[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：65－72. Wei Yang, Ji Xuewei, Zhou Mengqian, et al. Mechanical properties of bamboo-concrete composite structures with dowel-type connections[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 65－72. (in Chinese with English Abstract)

[14] Pei S P, De Lindt J W, Ni C N, et al. Experimental seismic behavior of a five-storey double-midply wood shear wall in a full scale building[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2010, 37(9): 1261－1269.

[15] Zheng W, Lu W, Liu W, et al. Experimental investigation of laterally loaded double-shear-nail connections used in midply wood shear walls[J]. Construction and Building Materials, 2015, 101:761-771.

[16] Chen G, He B. Stress-strain constitutive relation of OSB under axial loading: An experimental investigation[J]. Bioresources, 2017, 12(3): 6142－6156.

[17] 陈国，周涛，李成龙，等. 竹木组合工字梁的静载试验研究[J]. 南京林业大学学报：自然科学版，2016，40(5)：121－125. Chen Guo, Zhou Tao, Li Chenglong, et al. Experimental study on the OSB webbed bamboo beams[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Sciences Edition, 2016, 40(5): 121－125. (in Chinese with English Abstract)

[18] Chen G, Li H T, Zhou T, et al. Experimental evaluation on mechanical performance of OSB webbed parallel strand bamboo I-joist with holes in the web[J]. Construction and Building Materials, 2015, 101: 91－98.

[19] Afzal M T, Lai S, Chui Y H, et al. Experimental evaluation of wood I-joists with web holes[J]. Forest Products Journal, 2006, 56 (10): 26－30.

[20] Zhu E C, Guan Z W, Pope D J, et al. Effect of openings on oriented strand board webbed wood I-Joists[J]. Journal of Structural Engineering, 2007, 133(1): 145－149.

[21] Pirzada G B, Ying H C, Lai S. Predicting strength of wood I-Joist with a circular web hole[J]. Journal of Structural Engineering, 2008, 134(7): 1229－1234.

[22] 杨会峰，刘伟庆，邵劲松，等. FRP加固木梁的受弯性能研究[J]. 建筑材料学报，2008，11(5)：591－597. Yang Huifeng, Liu Weiqing, Shao Jinsong, et al. Study on flexural behavior of timber beams strengthened with FRP[J]. Journal of Building Materials, 2008, 11(5): 591－597. (in Chinese with English Abstract)

[23] Wei Y, Ji X W, Duan M J, et al. Flexural performance of bamboo scrimber beams strengthened with fiber-reinforced polymer[J]. Construction and Building Materials, 2017, 142:66－82.

[24] Xiao Y, Zhou Q, Shan B. Design and construction of modern bamboo bridges[J]. Journal of Bridge Engineering, 2010, 15(5): 533－541.

[25] 许清风，陈建飞，李向民，等. 粘贴竹片加固木梁的研究[J]. 四川大学学报：工程科学版，2012，44(1)：36-42. Xu Qingfeng, Chen Jianfei, Li Xiang Min, et al. Study on timber beams strengthened with bamboo strips [J]. Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2012, 44(1): 36－42. (in Chinese with English Abstract)

[26] 许清风，朱雷，陈建飞，等. 粘贴钢板加固木梁试验研究[J]. 中南大学学报：自然科学版，2012，43(3)：1153－1159. Xu Qingfeng, Zhu Lei, Chen Jianfei, et al. Experimental study of timber beams strengthened with steel plates [J]. Journal of Central South University: Science and Technology. 2012, 43(3): 1153－1159. (in Chinese with English Abstract)

[27] Morrissey G C, Dinehart D W, Dunn W G. Wood I-Joists with excessive web openings: An experimental and analytical investigation[J]. Journal of Structural Engineering, 2009, 135(6): 655－665.

[28] Polocoser T, Miller T H, Gupta R. Evaluation of remediation techniques for circular holes in the webs of wood I-Joists[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(12): 1898－1909.

[29] 李海涛，苏靖文，张齐生，等. 侧压竹材集成材简支梁力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2015，36(3)：121－126. Li Haitao, Su Jingwen, Zhang Qisheng, et al. Experimental study on mechanical performance of side pressure laminated bamboo beam[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(3): 121－126. (in Chinese with English Abstract)

[30] 苏毅，宗生京，徐丹，等. 竹集成材梁非线性弯曲性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2016，37(10)：36－43. Su Yi, Zong Shengjing, Xu Dan, et al. Experimental study on nonlinear bending of glued laminated bamboo beams[J]. Journal of Building Structures, 2016, 37(10): 36－43. (in Chinese with English Abstract)

[31] 邓明科，潘姣姣，梁兴文. 高延性混凝土与钢筋黏结性能的试验研究[J]. 土木工程学报，2018，51(3)：19－26. Deng Mingke, Pan Jiaojiao, Liang Xingwen. Experimental study on bond behavior between steel bar and high ductility concrete [J]. China Civil Engineering Journal, 2018, 51(3): 19－26. (in Chinese with English Abstract)

Study on laminated bamboo lumber-wood I shaped joist with web opening reinforced by oriented stand board plates plates

Chen Guo, Yu Yunfei, Li Xiang, He Bin, Zheng Naihao, Zhao Huan

(210037,)

Bamboo is considered as one of fastest-growing plants in the world, widely distributed in South America and Southeast Asia. Especially in southern China, the planting area and output of bamboo ranks first in the world. For decades, raw bamboo has been successfully used in civil construction, often in the form of beams, columns, rafters and so on. However, several problems arise in practical applications and need to be solved, such as thin-walled hollow, irregular shape, easy to crack when exposure to moisture alternation frequently. Laminated bamboo lumber (LBL) is considered as a promising green engineering material in modern bamboo construction, due to higher strength/weight ratio and more rapid renewability than common wood. Oriented strand board (OSB) is mainly made from thin wood flakes sliced from small-diameter, fast-growing trees. Due to good cost-efficiency ratio, the OSB panel has been used as webs of wood I-joist, floor sheathing, roof sheathing, and so on. An OSB webbed laminated bamboo lumber I shaped joist is introduced, which consists of four LBL flanges and OSB web. The LBL is attached to the OSB by adhesive and nails spaced at 150 mm in center. To study the capacity, deformation performance and failure mechanism of the OSB webbed bamboo I-joists with circular web opening, 42 joints with/without web opening are tested. Among them, 12 joists with web opening without strengthened, 27 joists with web opening are retrofitted by collar oriented strand board (C-OSB), two U shaped oriented strand board (TU-OSB) or U shaped oriented strand board (U-OSB) and 3 joists without opening for comparison. Results show that the effect of joists with hole diameter to web height less than 25% are negligible, no repairs are required. With the increase of ratio of the hole size to web height (/w), the peak load capacity and stiffness of the joists with big opening (/w≥50%) decrease significantly, and the joists failed in web shear failure around the opening, mainly in compression and tension failure. The cracking loads strengthened by OSB plates increases by 52.9%, the loads at allowable deflection increase by 12.1% on average, and the ultimate loads increase by 28.2%, respectively. The increase of carrying capacity is closely related to the types of OSB plates, and the C-OSB plate is the biggest. Also, the OSB plates can improve the initial stiffness, increased only by 11.5% on average. The improvement of C-OSB on mechanical performance of composite joists is most effective, TU-OSB less and U-OSB least. It is evident that the C-OSB has the greatest enhancement effectiveness on joist with opening, however, the selection of OSB plates for reinforcement should be considered comprehensively in practical applications. The C-OSB is suitable to retrofit joist with opening prior to the installation of the service pipes, while the TU-OSB and U-OSB can be used to reinforce the joist with the opening diameter less than 75% without removing the pipeline facilities. The results indicate that the OSB webbed LBL I joist has excellent mechanical performance which can be used for the bending members in bamboo structures and wood structure.

loads; bamboo; wood; oriented strand board; strengthening; I-joist; web opening; failure mechanism

陈 国，于云飞，李 祥，何 彬，郑乃浩，赵 欢. 定向刨花板加固腹板开洞竹木工字梁力学性能研究[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：260－266. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034 http://www.tcsae.org

Chen Guo, Yu Yunfei, Li Xiang, He Bin, Zheng Naihao, Zhao Huan. Study on laminated bamboo lumber-wood I shaped joist with web opening reinforced by oriented stand board plates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 260－266. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034 http://www.tcsae.org

2018-05-06

2018-10-13

国家自然科学基金资助项目（51408312）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20130982）；住房和城乡建设部资助项目（2018-K5-003）

陈 国，副教授，博士，主要从事现代竹木结构研究。 Email：chenguo@njfu.edn.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.034

TU366.1

A

1002-6819(2018)-23-0260-07