钢板加固小跨高比胶合木梁抗弯极限承载力研究

邹艳花ZOU Yan-hua；刘陈诚LIU Chen-cheng

（①湖南城建职业技术学院建筑工程系，湘潭 411101；②中南林业科技大学土木工程学院，长沙 410004）

0 引言

木材是一种负碳、节能、可再生的天然无污染材料[1]。胶合木作为现代木结构最常用工程木产品，在原木的基础上更加美观舒适、结构均匀，符合绿色建筑发展理念[2]，且胶合木可进行生产工业化、标准化、施工装配化，有利于装配式建筑的发展[3]。因此，胶合木在国内外得到了广泛的研究和应用[4-5]。胶合木虽有许多优点，但由其制作的结构构件如胶合木梁也存在抗弯承载力不够或易产生脆性破坏等问题，其主要是由于胶合木梁抗剪强度较低。因此，为降低剪切变形影响，众多学者[10]对增强加固胶合木梁进行了研究，其主要增强材料有CFRP板、BFRP板、螺钉和预应力筋等，但增强方式有所不同。课题组也采用底部粘贴钢板对小跨高比胶合木梁进行了增强加固研究，结果表明梁底粘贴钢板近能小幅度的提高胶合木梁的抗弯性能，但提高程度不理想[11]。虽效果不佳，但有一定的提高。因此，梁底部粘贴钢板作为一种最简单且易施工的加固方式，对其承载力进行研究也具有一定的意义。本文结合试验结果及理论分析，对钢板加固小跨高比落叶松胶合木梁的抗弯性能及抗弯极限承载力的计算进行了研究。

1 前期试验

课题组前期根据《木结构试验方法标准》（GB/T50329-2012）[12]中的相关规定，以东北落叶松为原材料，钢板为加固材料，制作了9根3组小跨高比胶合木梁试件，其中3根为底板粘贴钢板小跨高比胶合木梁，该3根试件的尺寸及跨高比如表1所示。各试件均由10块厚为30mm的落叶松锯材胶压而成，通过试验测得其力学性能如表示2所示。试件底部所粘钢板为Q235级钢，其屈服强度为235MPa、弹性模量为2.1×105MPa，钢板长l×宽b×厚t为4000mm×100mm×2mm。

1.1 试验参数（表1、表2）

表1 试件尺寸及跨高比

表2 胶合木力学性能

1.2 试验结果

3根钢板加固小跨高比落叶松胶合木梁试件试验过程中，破坏过程基本相同。加载初期，试件处弹性受力状态。随着荷载增大，木梁发出轻微响声；荷载继续逐级增加，试件两端支座及其附近慢慢出现多条纵向裂缝。继续加载，支座附近裂缝发展并不太明显。三根试件分别加载至108kN、110kN、118kN持荷时，一声巨响，试件被一条纵向裂缝一分为二，两者错开1～2mm，但钢板依旧粘贴良好，分配梁支座钢板下方木纤维出现局部褶皱现象，试件破坏形态如图1所示。

根据试验可知，小跨高比胶合木梁受弯时，由于梁内剪应力较大，木梁抗剪能力不足，因此易出现较多抗剪裂缝。木梁底边粘贴钢板，可一定程度上提高试件抗拉能力，但效果不佳，仍属于顺纹受剪破坏。

2 极限承载力分析

2.1 极限承载力计算公式推导

假定：①木梁截面应变分布符合平截面假定；②木梁受拉和受压的弹性模量相同；③不考虑钢板与木材之间粘钢胶的厚度；④层板间黏结完好，无相对滑移；⑤木材的顺纹本构关系采用Bazan提出的双折线拉压本构模型[13]，如图2所示。图中σtu、σcu分别为木材的极限拉应力及极限压应力；εtu、εcu分别为木材的极限拉应变及极限压应变；σce、εce分别为木材弹性压应力及弹性压应变；Et为木材弹性模量；m（m≤0）为材本构关系曲线中受压区下降段斜率与弹性模量E的比值。

木梁发生顺纹剪切破坏，采用极限应变分析方法，则木梁截面理论分析模型如图3所示。图中σt、εt分别为木梁破坏时，其下边缘所受拉应力、拉应变；hce、hcp、ht分别为木梁弹性受压区高度、塑性受压区高度及木梁受拉区高度；Fce、Fcp、Ft分别为木梁弹性受压区合力、塑性受压区合力及木梁受拉区合力；Fs为钢板所受拉力。

由静力关系得：

设合力Fcp距中心轴的距离为x：

整理可得：

则分析钢板增强小跨高比胶合木梁抗弯极限承载力时，取

对截面处钢板合力点即梁底取距，可得钢板增强小跨高比胶合木梁所能承担的极限弯矩为：

则底部粘贴钢梁在三分点受弯作用时所能承受的极限荷载为：

2.2 试验值与理论值对比分析

根据《木结构设计手册》[14]及文献[15]落叶松木材的相关数据如下：

Et=16900MPa，弹性模量调整系数为0.8，m=-0.25，εce=2.5×10-3，εcu=10×10-3，εtu=8.0×10-3，Es=2.1×105MPa，t=2mm，l0=3600mm。

按公式（1）～（15）计算出钢板增强小跨高比胶合木梁的极限承载力，结合试验值得表3所示。由表3可知，理论极限承载力理论值与实测值最大误差为10.8%，平均误差为5.2%，且理论值较实测值偏于保守。因此，该极限承载力理论计算公式可为实际工程木梁构件的设计及应用提供依据。

表3 理论值与实测值极限承载力比较

3 结论

根据前期试验及理论分析，可得如下结论：①钢板增强小跨高比胶合木梁受弯为顺纹剪切脆性破坏；钢板加固能对胶合木梁抗弯极限承载力略微有些提高，但由于底部粘贴钢板对小跨高比胶合木梁抗剪能力影响不大，因此对其抗弯极限承载力的提高效果不理想。但由于梁底粘贴钢板是最简便且易施工的一种已建胶合木梁加固方式，因此对其承载力的研究具有一定的意义。②基于极限应变分析方法，提出了钢板增强小跨高比胶合木梁抗弯极限承载力计算公式。根据理论值与实测值对比分析，认为该公式较为合理，可为已建胶合木梁构件的加固提供理论计算依据。