胶合木空心柱偏心受压力学性能试验研究

朱厚源,刘佳桐,王解军

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

近年来，在国家鼓励节能环保，大力推动装配式建筑的背景下，木结构以其装配式和可再生的特点得到了广泛的关注。相比于国外轻型木结构的广泛应用，目前国内木结构主要使用梁柱体系以突出文化特征，并且多使用进口木材、造价偏高。在公路桥梁景观资源利用方面，木结构在周雄飞[1]提出的公路自身景观的自身特征和工程构造两项中均有较大的发展空间。

为了提高木柱的承载力及使用国产木材以降低造价，本文以国产兴安落叶松锯材为材料，研究同体积材料下，采用空心截面对胶合木柱承载力的改善情况，并探明空心胶合木柱的破坏模式和变形特点，为木结构工程设计提供参考。

在国内，黄绍胤[2-5]率先系统研究了传统木柱受力性能。日本佐佐木光[6]通过试验研究，首先提出圆筒形旋切板胶合木(LVL)可用做结构用材，山内秀文[7]给出了圆筒形LVL物理性能最优的制作方式。

空心胶合木柱构件形式首先由HARRIES K A[8]等人提出，采用的是由4块规格材相互正交胶合压制形成中空的方形柱构件。罗志华[9]研究了空心率和长细比对胶合空心木柱极限承载力的影响，提出了承载力计算公式，但只进行了轴心受压试验。张露[10]采用云杉为原材料，进行了以偏心距为控制因素的木柱受压试验，给出了一种计算模型。杨孝博[11]通过试验研究落叶松空心胶合木圆柱的轴心受压性能，证明用锯材直接胶合成的圆筒形构件可用做结构材，将胶合木的应用扩充到圆筒形构件中，但只进行了轴心受压短柱试验，对圆筒形空心长柱和偏心受压性能未做研究。

综上所述，国内外关于空心胶合木柱的受力性能研究不足，特别是针对偏心受压的兴安落叶松胶合木空心柱受力性能鲜有研究。本文基于模型试验，研究兴安落叶松胶合木空心柱偏心受压的破坏模式与机理、承载力、应力及变形规律，所得成果可为工程设计提供参考。

1 试件设计

本试验原材料采用国产兴安落叶松锯材和结构胶粘剂：锯材尺寸约为40 mm×200 mm×3 000 mm；胶粘剂采用聚氨脂结构胶；通过将木板施胶、加压养护24 h来粘结成胶合木柱。木材常温下基本物理力学性能依据本次试验以及杨孝博[11]和杨涛[12]的试验结果，并对比了林佶[13]和王俊人[14-15]的试验结果，其具体数值如下：初始密度为0.66 g/cm3，含水率14.87%，抗拉强度128.68 MPa，抗压强度42.04 MPa，抗弯强度86.23 MPa，弹性模量10 300 MPa。胶粘剂的具体物理性质如下：固体含量(58±3)%，剪切强度≥10 MPa，抗拉强度≥40 MPa，抗压强度≥75 MPa，木破率≥70%，弹性模量≥3 500 MPa。

参考《木结构试验方法标准》GB/T50329-2012和ASTM D198中的相关规定[16-17]，本试验共设计了9根空心胶合木柱和3根实心胶合木柱，构件尺寸和偏心情况如表1所示。

表1 试件尺寸Table1 Maindimensionsoftestpieces试件分组编号截面尺寸b×h/mm试件长度L/mm初始偏心距e0/mm相对偏心率m试件数量KZ1150×15016000.00.03KZ2150×150160037.51.53KZ3150×150160075.03.03SZ120×120160060.03.03注:b,h分别为试件的截面宽度和截面高度,相对偏心率m=6e0/h。

试件分为两类，第一类试件(空心截面柱)按偏心率分成3组(分组编号KZ1～KZ3)，每组3个试件，各试件尺寸相同，即长×宽×高为1 600 mm×150 mm×150 mm；第二类试件(实心截面柱)共1组(编号SZ)3个，尺寸长×宽×高为1 600 mm×120 mm×120 mm，偏心率为3。因加载需要，在木柱两端设置了牛腿。为保证试验中牛腿部分不发生破坏，制作时除了把牛腿和试件胶粘在一起外，还用螺栓连接进行了加强。图1为试件照片和尺寸示意图。

(a)试件照片

2 加载与测量

本次试验在中南林业科技大学土木工程试验中心进行，主要设备为：5 000 kN压力试验机、东华DH3 821采集仪、100 mm量程和200 mm量程的位移传感器、120-80AA应变片等。加载装置见图2，上下端部均采用单向刀铰，试件的计算长度为试件本身的长度L加上试件两端刀铰的厚度，共1 754 mm。控制系统为配套的计算机软件，试验机通过底部千斤顶施加荷载。

(a)装置设计图

测点布置见图3，在试件的中部和底部共安装了3个位移传感器，测量试件的侧向位移。试件1/2高度处的4个侧面均粘贴标距100 mm的电阻应变计，3号和7号应变片对称设置；6号和7号应变片配合1号和5号可用于判断试件受压侧外侧和受拉侧外侧的应力分布情况；由于木材材质不均匀的特点，根据现场的试验具体情况，部分构件在1/3和1/4柱高处加设个别应变片作为参照。应变和位移数据均通过数据仪采集。

图3 应变片与位移计布置图(单位：mm)

支座安装后，将试件进行初步定位，通过夹具将其调整对中、并固定。然后安装位移计，再将应变片和位移计连上数据采集仪。

正式加载前，先进行5 kN到10 kN的预加载以消除试件与装置间的空隙，同时检验弯曲平面外的对中情况。采用先荷载控制、后位移控制的两阶段加载方式，先期加载速度为10 kN/min，达到预计极限荷载的1/3时，转换为2 mm/min速度。试验终止条件设为施加荷载瞬时下降30%。

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

所有试件加载的初始阶段，压力-应变曲线呈线性变化，应变数值显示截面均为受压。对于轴心受压的空心截柱，当荷载接近极限荷载时，试件中部侧面出现竖向裂缝，最后伴随一声巨响，试件破坏[见图4(a)]。对于偏心受压的空心空心截面柱，当加载至极限荷载的60%时，试件出现轻微的响声，试件弯曲，支座有明显的转角；当加载至极限荷载的80%时，试件受压侧木材屈服出现褶皱；当荷载接近极限荷载时，试件受压侧褶皱明显，部分试件受拉侧靠近螺栓处出现微小裂缝；最后伴随一声巨响，试件中部侧面出现竖向裂缝，承载力下降。加载过程中，所有偏压空心截面柱试件受拉外侧均无受拉破坏现象[见图4(b)、(c)]。

(a)KZ1-1

对于实心截面柱加载，当加载至极限荷载的60%时，试件发生明显的弯曲和转角；达到90%极限荷载时，试件受压侧木纹出现褶皱；继续加载，试件出现连续不断的噼啪声，受压侧褶皱发展，受拉侧出现裂缝，挠度持续增加，承载力减小；最后伴随一声巨响，受拉侧断裂，试件失去承载力[见图4(d)、(e)]。

破坏模式：由试验现象可知，轴心受压的空心截面柱极限荷载下中部产生竖向裂缝，横纹受拉破坏；偏心受压的空心截面柱随荷载增大，首先受压侧木材屈服出现褶皱、然后柱子中部侧面出现竖向裂缝，最终被压溃。实心截面柱随偏压荷载增大，首先受压侧木材屈服出现褶皱，然后受拉侧开裂、木材被拉断，发生弯曲拉压破坏。

破坏机理：由于木材顺纹抗拉强度较高，顺纹抗压强度及横纹抗拉强度相对较低，对于轴心受压的胶合木空心柱，当截面的横向拉应力超过木材的横纹抗拉强度时，木材开裂即产生竖向裂纹，属于典型的受压破坏。对于偏心受压(小偏心)的空心柱，截面主要产生压应力，受拉侧拉应力较小；因此，当受压侧外缘最大压应力达到木材顺纹抗压强度时，木材受压屈服产生褶皱，然后柱的中部截面横向拉应力过大导致木材横纹受拉破坏，产生竖向裂缝，试件被压溃。实心柱的截面高度和弯曲抵抗矩比空心柱小，受压时截面外侧的拉、压应力均较大，随荷载增大首先受压侧外缘压应力达到木材顺纹抗压强度，木材屈服发生褶皱，然后受拉侧拉应力达到木材顺纹抗拉强度，木材被拉断，属于弯曲拉压破坏。

3.2 试验数据

3.2.1极限承载力与横向挠度

表2给出全部试件的极限荷载和最大横向挠度。

将表2中KZ3(空心柱第3组)和SZ(实心柱)的极限荷载比较见表3，可知同面积、偏心率相等的空心柱相比于实心柱，其承载力平均提高了20.02%。

3.2.2荷载-位移曲线

根据试验测得的荷载和1/2柱高处的横向挠度值，绘制部分试件的荷载-横向挠度曲线如图5所示。由图可知，轴心受压空心柱(KZ1-1)极限荷载下横向挠度很小(仅2.65 mm)。相同荷载下，偏心受压空心柱的横向位移明显小于实心柱，即偏心受压空心柱抗侧移刚度明显大于实心柱。偏压空心柱的荷载-横向挠度曲线可分为两段：在荷载上升段，荷载-挠度基本呈线性增加；达到极限荷载(最大荷载)后，荷载-挠度曲线有较长的下降段，构件承载力下降但变形继续增加，表明空心柱具有一定的塑性变形能力。偏心受压实心柱在加载初期，荷载-挠度曲线呈线性变化，在接近及达到最大荷载时试件发生一些塑性变形，相比空心柱荷载-挠度曲线下降段不明显。

表2 极限荷载及横向挠度试验结果Table2 Thetestresultsofultimateloadandlateraldeflection试件编号偏心距/mm极限荷载/kN最大横向挠度/mmKZ1-10.0376.1213.03KZ1-20.0442.1627.89KZ1-30.0443.3769.81KZ2-137.5218.4789.29KZ2-237.5229.6353.00KZ2-337.5276.0388.62KZ3-175.0163.3550.07KZ3-275.0169.1842.16KZ3-375.0168.8760.85SZ-160.0135.1558.12SZ-260.0136.9782.57SZ-360.0145.9873.81

表3 承载力对比Table3 BearingcapacitycomparisonSZ极限荷载/kNKZ3极限荷载值/kN承载力提升率/%平均值/%135.15163.3520.87136.97168.8723.2920.02145.98169.1815.89

图5 荷载-1/2柱高横向挠度曲线

3.2.3荷载-应变曲线

试验中，在试件1/2柱高处沿截面高度方向粘贴有5个应变片1～5，用来测量在加载过程中不同截面高度处的应变变化，其中1和5分别处于受压侧和受拉侧边缘。根据测量数据，得到不同荷载时截面高度-应变关系曲线(见图6)。其中，拉应变为正、压应变为负值。

由图6可知，轴心受压空心柱[图6(a)]在荷载较小时，截面基本均匀受压，随荷载增大截面各测点的应变值不等，这主要是由于木材为非匀质材料所致。对于偏心受压空心柱[图6(b～d)]，在加载初期截面应变按平截面变化，受力处于弹性阶段；随荷载增大受压侧逐步发生塑性应变，而受拉侧的应变仍是弹性应变，这与受压侧木材屈服发生褶皱的试验现象相符合。对于偏心受压实心柱[图6(e)、(f)]，在加载初期截面应变也是按平截面变化，受力处于弹性阶段；在接近极限荷载时，截面受压侧与受拉侧均发生塑性应变。

(a)KZ1-1

4 结论

本文通过轴心受压、偏心受压胶合木空心截面柱及偏心受压实心截面柱的承载力模型试验，可初步得到以下结论：

a.轴心受压的空心截面柱极限荷载下中部产生竖向裂缝，为横纹受拉破坏。偏心受压空心截面柱随荷载增大，首先受压侧木材屈服出现褶皱、然后柱子中部侧面出现竖向裂缝，最终被压溃。实心截面柱随偏压荷载增大，首先受压侧木材屈服出现褶皱，然后受拉侧开裂、木材被拉断，发生弯曲拉压破坏。

b.同面积、偏心率相等的空心柱相比实心柱，其承载力平均提高了20.02%；并且偏心受压空心柱抗侧移刚度明显大于实心柱。

c.偏心受压空心柱在荷载上升段，荷载-横向挠度曲线基本按线性变化；达到极限荷载(最大荷载)后，荷载-挠度曲线有较长的下降段，构件承载力下降但变形继续增加，表明空心柱具有一定的塑性变形能力。

d.偏心受压空心柱和实心柱在加载初期截面应变均按平截面变化，受力处于弹性阶段。随荷载增大直至最大承载力，空心柱受压侧逐步发生塑性应变，而受拉侧的应变仍保持弹性应变；实心柱在接近极限荷载时，截面受压侧与受拉侧均发生塑性应变。