铝-木组合梁受弯性能研究

王洗凡，曹宝珠，张 聪，曾 翔

(海南大学土木建筑工程学院，海口 570228)

铝-定向结构刨花板(oriented strand board, OSB)组合梁是将铝板和OSB板两种材料通过自攻螺钉连接而成的能够共同受力、协调变形的一种组合梁。铝合金材料具有质量轻、比强度高、耐腐蚀和易加工的特点[1]，作为一种建筑结构用材与钢材相比更适合在中国南海等海域岛屿大规模建设中使用。OSB板是一种定向结构板材，通常用小径材、间伐材、木芯为原料通过专用设备加工制成，具有质量轻、材质均匀、无木节、稳定性好、握螺钉力高等优点[2]，是一种能够克服原生木材缺陷的新型板种。铝合金材料和OSB板的结合，能够发挥各自优势，组合效益明显。且两种材料均属于绿色环保材料，将铝合金材料和OSB板结合起来，发展成为一种新的低碳环保结构体系，具有较大的工程实际意义。

目前，学者们对钢-OSB板组合结构试件进行了研究。周绪红等[3-4]、石宇等[5]对冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖进行了受弯承载力、抗弯刚度以及振动性能的试验研究；滕学锋等[6]对冷弯薄壁型钢-OSB板组合楼盖进行了承载力和延性性能的研究；曹宝珠等[7]对冷弯薄壁型钢-OSB板T形截面带肋组合梁进行了受弯承载力的试验研究。试验结果表明，冷弯薄壁型钢与OSB板材整体工作性能好，组合效应显著。还有学者对铝合金受弯构件进行了研究，对铝合金受弯构件进行整体稳定性能试验[8-10]以及局部稳定性能试验[11-12]。也有学者对铝合金轴心受压构件进行研究。王元清等[13]对铝合金轴心受压构件局部整体相关稳定试验研究；郭小农等[14]将铝合金按不同材料类型分类并计算其轴心压杆的稳定系数。

然而，目前对铝-OSB板组合结构的组合性能研究很少。为此，设计了4个铝-OSB板T形截面带肋组合梁试件，对各个试件进行抗弯性能的试验，观察在各级荷载作用下试件的破坏过程和破坏形态、OSB板和铝板的应变变化以及组合梁跨中挠度的变化规律，研究组合梁腹板高度、铝板厚度这2种不同参数对试验不同程度的影响。采用ABAQUS有限元软件将有限元模型结果与试验结果进行对比，并模拟分析不同螺钉间距对铝-OSB板T形截面带肋组合梁受力性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件材性

试件所用铝板均为5083O态型号铝材，铝材材性试验根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[15]和《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》(GB/T 22315—2008)[16]的规定，从4 mm厚和5 mm厚的铝板中分别各切取3个板状试件进行拉伸试验，得铝材的屈服强度fy=127 N/mm2，抗拉强度fu=228 N/mm2，弹性模量Es=72 539 N/mm2，泊松比ν=0.3。木材采用OSB板材，根据《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》(GB/T 17657—2013)[17]的规定，得出18 mm厚OSB板材料力学性能取值，如表1所示，且根据木材缺陷对抗弯强度、抗压强度进行折减(折减系数分别取0.675、0.75[18])。两种材料的材性试验均在海南大学李运强力学实验室完成。

表1 OSB材料力学性能Table 1 Material properties of OSB

1.2 试件设计

为研究铝-OSB板组合梁的抗弯承载力，设计了4根铝-OSB板T形截面带肋组合梁试件。该组合梁的设计思路是以T型带肋OSB板为骨架，即试件的翼缘、腹板及肋板均为18 mm厚OSB板，肋板成横向对称布置在腹板两侧用以保证翼缘与腹板的稳定。梁翼缘和腹板之间，铝板和腹板之间，梁底两端设置的垫板与梁腹板之间均采用自攻螺钉连接。用盒型紧固件将铝板端部和腹板端部固定在一起，以此来减少铝板端部与腹板之间产生的滑移变形。试件标号及试件参数如表2所示，4根组合梁长度均为2 200 mm，计算跨度为2 100 mm，梁翼缘板尺寸均为2 200 mm×400 mm×18 mm。图1所示为加工完成的试件，图2所示为试件L-Z-1的构造详图。

表2 试件参数Table 2 Parameters of specimens

注：每个组合梁均采用盒型紧固件进行加固。

图1 试验试件Fig.1 Specimens for test

1.3 试验测点布置及加载制度

共进行了4根铝-OSB板T形截面带肋组合梁的试验。试验加载方式为三分点对称加载，正式加载采用单调静力分级加载方式，以1 kN为一个加载级别，当组合梁出现屈曲变形后，调整荷载级别为0.5 kN，直到荷载达到最大值。每级荷载施加后，持荷1 min，记录试验数据以及试验现象。试件荷载由5 t荷载传感器控制。每个试件上均布置5个百分表(D1～D5)以观测组合梁的挠度变化情况，测点分别布置在梁左端支座上方翼缘板处、1/4跨处、1/2跨处、3/4跨处和梁右端支座上方翼缘板处。在组合梁跨中截面上沿梁高布置5个应变片(S1～S4、S7)用来分析组合梁跨中截面应变分布情况，再在铝板底部布置4个应变片(S5、S6、S8、S9)用来分析铝板的应变分布情况。位移计及应变片读数均采用东华3816采集仪采集。试验装置及测点布置如图3所示。

图3 试验装置和测点布置Fig.3 Test setup and layout of measuring points

2 试验结果及其分析

2.1 破坏现象

图4 试件破坏现象Fig.4 Failure phenomenon of specimens

图4所示为各组合梁的破坏现象，其中包括OSB腹板的开裂以及翼缘板端部和梁腹板之间的滑移变形，由图4可以观察到，梁腹板端部采用的盒型锚固的构造有效地控制了在力加载的过程中腹板端部与铝板端部的滑移变形。4个组合梁试件均呈弯曲破坏，因为4个组合梁试件受弯过程和破坏形态均一致，故只详细描述试件L-Z-1的试验过程及最终破坏形态。以试件L-Z-1为例，当荷载较小时，组合梁变形量较小，随着荷载的增加，采集仪和百分表的读数呈线性增长；当荷载增加至3.7 kN时，OSB腹板出现第一条裂缝；当荷载增加至8 kN左右时，采集仪上位移测点数据明显增大，测点读数不稳定，翼缘板端部和梁腹板之间产生滑移变形，由此现象可以说明在力的作用下通过螺钉连接的腹板和翼缘板两者之间产生微小间隙，未能实现完全共同工作；随着荷载的增加，已经在腹板底部产生的竖向裂缝呈向腹板上部扩展的趋势；当荷载达到10.4 kN时，组合梁跨中腹板受拉断裂。随着挠度的增加，组合梁的承载力下降至8.1 kN，表现出一定的残余承载力，组合梁试件属于延性破坏。试验结果如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

2.2 荷载-跨中挠度曲线及承载力

图5所示为各组合梁试件在加载过程的荷载-跨中挠度曲线。由图5可得，铝板均为4 mm厚时，试件L-Z-2的极限荷载值为13.3 kN，相比试件L-Z-1的极限荷载值提高了2.9 kN,增加幅度达27.9%，铝板均为5 mm厚时，试件L-Z-4的极限荷载值与试件L-Z-3的极限荷载值相比提高了2.5 kN，增加幅度达22.1%，试验结果表明，当铝板厚度相同时，200 mm高的承重梁的受弯承载力均明显大于170 mm高的承重梁的受弯承载力，且抗弯刚度也提高了很多；当承重梁高度均为170 mm时,试件L-Z-3的极限承载力比试件L-Z-1的极限承载力提高了8.6%，当承重梁高度均为200 mm时,试件L-Z-4的极限承载力比试件L-Z-2的极限承载力提高了4.4%，说明当承载梁高度相同时，5 mm厚的铝板极限承载力大于4 mm厚的铝板承载力。根据图5的对比分析也可得出，对于影响铝-OSB板组合梁的受弯承载力的因素为OSB板的腹板高度以及铝板厚度，且OSB板的腹板高度影响因素远大于铝板厚度。

图5 各试件荷载-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curve

图6 沿梁纵向铝板应变分布Fig.6 Strain distribution of aluminum sheet along spans

2.3 应变曲线

图6所示为各铝板应变ε沿试件纵向在加载过程中的分布情况。由图6可知，4根组合梁试件的铝板应变分布规律一致。组合梁试件在逐渐加载力的过程中，应变沿试件纵向分布变化从正弦半波曲线逐渐变化为近似五边形，虽然试件应变曲线形状发生变化，但基本呈线性变化且梁体变形成对称分布，组合梁破坏时，铝板的应变值从梁跨中到梁两端呈降低的发展趋势。

图7所示为各组合梁试件在加载过程中的跨中截面应变ε沿截面高度h的变化情况。由图7可知，在试验初期荷载较小的情况下，组合梁受力为弹性阶段，梁跨中截面应变ε与截面高度h基本呈线性变化，说明此时截面基本符合平截面假定。在试验后期荷载逐渐增加的情况下，组合梁受力进入弹塑性阶段，梁腹板与翼缘板之间产生相对滑移，导致翼缘板应变增速缓慢，使得二者间的应变差值逐渐增大，整个截面的应变沿组合梁高度不再符合平截面假定。在试验全过程中，OSB腹板的截面应变与截面高度一直呈线性变化。

图7 跨中截面纵向应变分布Fig.7 Strain distribution of cross section at mid-span

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元软件建立组合梁的有限元分析模型。模型中的OSB板和铝板均采用实体单元(SOLID)。OSB板之间以及OSB板与铝板之间采用自攻螺钉连接，其中自攻螺钉连接采用嵌入式约束(EMBEDDED)且约束到整个模型中，分配梁下的垫块与组合梁之间以及钢支座与组合梁之间采用绑定约束(TIE)。OSB板和铝板的本构关系采用线性强化二折线本构模型。选用材性力学指标(表1)OSB板的弹性模量Es=5 378 MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度fy=11.1 MPa；铝材的弹性模量Es=72 539 MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度fy=127 MPa。仅对L-Z-4试件进行有限元模拟，网格划分如图8所示，图9所示为试件L-Z-4的有限元模拟与试验结果进行对比。由图9可知，二者之间曲线较为吻合，受弯承载力的误差为18.3%，原因在于在试验过程中组合梁的翼缘板与腹板之间出现了相对滑移，降低了组合梁的受弯承载力大小。

图8 网格划分Fig.8 Mesh generation

图9 试件L-Z-4的荷载-挠度曲线Fig.9 Load-deflection curve of L-Z-4

3.2 螺钉间距对组合梁承载力的影响分析

采用以上有限元模型，组合梁参数为腹板高度h=200 mm，铝板厚度t=5 mm，分析连接铝板和OSB腹板之间的螺钉间距分别为50、100、200 mm时对组合梁承载力的影响，其跨中荷载-挠度曲线如图10所示。由图10可得：螺钉间距由200 mm减小到100 mm，受弯承载力提高了1.2 kN,提高幅度为7.1%；由100 mm减小到50 mm,受弯承载力提高了1.6 kN，提高幅度为10.4%，相对应的跨中挠度没有太大改变。由此说明减小连接铝板和OSB腹板之间的螺钉间距，可以提高组合梁的受弯承载力，但提高的承载力较小，结论为螺钉间距对组合梁的受弯承载力的影响较小。

图10 螺钉间距对荷载-挠度曲线的影响Fig.10 Influence of the spacing of screw on load-deflection curve

4 结论

(1)铝-OSB板T形截面带肋组合梁既能发挥OSB板优良的受压性能又能发挥铝板的抗拉性能，有效地提高了组合梁的受弯承载力和抗弯刚度，相比于单一构件，组合优势更加明显。

(2)组合梁试件的破坏现象为铝板屈服，OSB腹板受拉断裂，试件破坏形式均为延性破坏，腹板断裂后仍具有一定的残余承载力。在试验过程中，OSB腹板的截面应变与截面高度一直呈线性变化。试验初期，组合梁受力为弹性阶段，梁跨中截面应变与截面高度基本呈线性变化，截面基本符合平截面假定；在试验后期，组合梁受力进入弹塑性阶段，梁腹板与翼缘板之间产生相对滑移，整个截面的应变沿截面高度不再符合平截面假定。

(3)组合梁的腹板高度、铝板厚度、螺钉间距均对组合梁受弯性能产生一定影响，其中OSB板的腹板高度对组合梁的受弯承载力的影响最大，铝板厚度次之，螺钉间距最小。

(4)有限元分析表明，减小连接铝板和OSB腹板之间的螺钉间距，可以提高组合梁的受弯承载力和抗弯刚度。