蠕变对重组竹板增强胶合木梁长期受弯性能的影响1)

左宏亮 胡斌 刘翰然

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

现代木结构，因其绿色环保、低碳节能、纹理美观等特点，在北美和欧洲已经具有很长的发展历史[1-4]，而我国近年来也随着速生林种植的推进、退耕还林及鼓励木材进口等相应政策的实施，逐渐重视了对现代木结构的研究，既满足了人们日益提升的生活水平要求，又响应了国家可持续发展的号召[5-7]。普通胶合木梁，作为木结构建筑中基本的梁构件，由于抗拉压强度偏低、刚度小且受压区木材抗压强度未能充分利用等缺陷[8-9]，往往不能满足设计使用要求。因此，本课题组此前提出了新型构件——重组竹板增强胶合木梁，并对其承载力等短期性能进行了试验研究。但若想将此类构件应用于工程实践中，还需要考虑作为木材基本特性之一的蠕变对梁长期受弯性能的影响。针对上述问题，本研究以置换率及加载比例为试验条件，选取置换率为1/6、2/6的重组竹板增强胶合木梁，并设置普通胶合木梁为照组，进行为期90 d的长期加载试验，分析置换率及加载比例对重组竹板增强胶合木梁长期挠度及蠕变变形的影响；并将长期试验结束后所有试验梁进行破坏加载试验，与未进行长期试验的试验梁进行对比，分析蠕变对承载力、刚度的影响。旨在为木结构建筑中对梁构件的设计提供参考。

1 材料与方法

按照课题组前期试验的试件制作经验[9]和GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》[10]中的相关规定，以云杉-松-冷杉(SPF)和重组竹为原材料，委托专业厂家制作18根试验梁，其中普通胶合木梁(见图1)、置换率为1/6(见图2)和2/6(见图3)的重组竹板增强胶合木梁各6根，试验梁规格均为2 850 mm×150 mm×50 mm，规定木材的顺纹方向为试验梁的长度方向。

图1 普通胶合木梁试件设计示意图(图中数据单位为mm)

图2 置换率为1/6的重组竹板增强胶合木梁试件设计示意图(图中数据单位为mm)

图3 置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁试件设计示意图(图中数据单位为mm)

为了计算长期试验加载值，首先对试验梁进行短期加载试验，短期加载试验采用三分点对称逐级加载，直至试件破坏(见图4、见表1)。

图4 短期试验加载装置示意图(图中数据单位为mm)

表1 极限荷载测定组试验梁

根据A组试验梁短期加载试验测得的极限承载力平均值及长期加载试验中的不同加载比例，计算出长期试验组B、C、D三组中每根试验梁的长期加载值(见表2)。

表2 试验梁的长期试验分组及加载值

长期试验梁跨中及两端位移，由位移计通过JM3813静态应变测试系统采集，采集时间间隔为每6 h一次。加载方式采用三分点对称加载，即在梁两三分点处悬挂重物(见图5)，以保证加载值恒定，加载时间为90 d。

图中数据单位为mm

为研究蠕变对重组竹板增强胶合木梁长期受弯性能的影响，在长期加载试验结束后，将所有试验梁进行破坏加载试验，与未进行长期加载试验的试验梁进行比较。为保证试验数据的准确性，试验装置及测点布置与前期短期试验相同。

2 结果与分析

2.1 试验梁长期加载试验结果

2.1.1 不同置换率时胶合木梁跨中净挠度变化

根据长期试验过程中采集的数据，将加载比例为预估极限荷载的20%、30%、40%时三种试验梁的跨中净挠度值进行计算统计分析(见图6)。由图6可见：当加载比例为极限预估荷载的20%、30%、40%时，置换率为1/6、置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁的初始挠度均大于普通胶合木梁，且当加载比例一定时，普通胶合木梁、置换率为1/6、置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁的跨中净挠度增长过程相近，增长速度相似；与置换率为1/6的重组竹板增强胶合木梁相比，置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁初始挠度分别减小了18%、19%、18%；且在长期试验过程中跨中净挠度值也始终低于置换率为1/6的重组竹板增强胶合木梁，这是因为当加载比例占预估极限荷载比例一定时，由于重组竹板置换率的增加，受拉区弹性模量整体增大，整体刚度增加，变形减小，因此试验梁置换率为2/6时更适合长期受荷状态。

图6 不同加载比例时梁跨中净挠度随加载时间变化曲线

2.1.2 不同加载比例时胶合木梁跨中净挠度变化

根据长期试验过程中JM3813静态应变测试系统采集的数据，将置换率一定时的试验梁在不同加载比例时的跨中净挠度值进行计算统计分析(见图7)。由图7可见：当试验进行到试验全周期的1/3时，所有试验梁的蠕变变形进程均超过整个蠕变变形周期的一半，且普通胶合木梁的前期蠕变变形增长速度超过重组竹板增强胶合木梁，说明重组竹板的存在延缓了试验梁的蠕变变形增长速度。当试验进行到试验全周期的2/3时，所有试验梁的蠕变变形进程基本完成了整个蠕变变形周期的90%左右，说明在长期试验过程中，梁的蠕变变形增长速度前期较大，并逐渐减小，最终趋于稳定。

由图7可见：置换率一定时，加载比例为预估极限荷载的20%、30%、40%的试验梁初始挠度，随着加载比例的增大而相应增大，但不呈线性比例关系。在加载比例为预估极限荷载的20%、30%时，试验梁的跨中净挠度值增长速度较为平缓且一致；在加载比例为预估极限荷载的40%时，普通胶合木梁、置换率为1/6、置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁的跨中净挠度值增长速度增大，不利于梁的正常使用状态。因此，在实际工程的设计和使用过程中，应避免长期高加载比例时胶合木梁跨中挠度增长过快给结构带来危害。

2.2 蠕变对短期加载胶合木梁性能的影响

2.2.1 试验梁破坏形态

将经过长期试验后的试验梁破坏形态与未经过蠕变的试验梁进行对比，破坏形态未发生明显改变，主要分为3种：梁底受拉破坏、梁顶受压破坏、胶层剪切破坏(见图8)。由图8可见：普通胶合木梁全部发生梁底受拉破坏、重组竹板增强胶合木梁多发生梁顶受压破坏和胶层剪切破坏，这是因为在不改变梁截面高度的同时，重组竹板的出现增强了梁受拉区的抗拉能力，根据截面平衡条件，胶合木部分的压应力增大，底部拉应力相对变小，截面中和轴下移，使得受压区的木材强度得到充分利用。

图8 试验梁破坏形态

2.2.2 试验梁极限荷载对比

统计经过长期蠕变后短期试验试验梁的极限承载力，与未受蠕变影响的试验梁极限承载力进行对比(见表3)。由表3可见：所有经过长期蠕变后的试验梁极限承载力均有所下降，普通胶合木梁极限承载力下降了5.3%～26.3%；置换率为1/6的重组竹板增强胶合木梁极限承载力下降了15.3%～45.8%，置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁极限承载力下降了7.9%～30.2%；置换率一定时，极限承载力随长期加载比例的增大而减小。

表3 蠕变后试验梁与未蠕变梁极限承载力对比

2.2.3 试验梁荷载-挠度关系曲线

对比经过蠕变的试验梁与未经过蠕变的试验梁荷载-挠度关系曲线，选取长期加载比例为预估极限荷载40%的D组试验梁数据与未受蠕变影响的试验梁数据进行对比(见图9)。由图9中曲线斜率可见：蠕变后的普通胶合木梁刚度变化不大，置换率不同的两种重组竹板增强胶合木梁刚度有小幅度下降，同时所有试验梁变形能力降低。

图9 蠕变后梁与未蠕变梁的外荷载-挠度曲线

3 结论

当重组竹板增强胶合木梁置换率一定时，蠕变变形值随加载比例的增大而增大，且增长幅度不呈比例。在高加载比例时，蠕变变形增长量及蠕变变形增长速度均显著增长，体现了过载对于结构构件的损伤积累极大。

当加载比例占预估极限荷载的比例一定时，重组竹板增强胶合木梁跨中净挠度值均大于普通胶合木梁，且试验梁在置换率为2/6时的初始挠度、蠕变变形增长量、蠕变变形增长速度，均小于试验梁置换率为1/6时，因此置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁更适合长期受荷状态。

经过蠕变后的短期试验梁破坏形态没有发生明显改变，但极限承载力均有不同程度的下降，普通胶合木梁下降5.3%～26.3%、置换率为1/6的重组竹板增强胶合木梁下降15.3%～45.8%、置换率为2/6的重组竹板增强胶合木梁下降7.9%～30.2%，同时刚度有小幅度下降，变形能力下降明显。