预应力胶合木梁的受弯性能试验研究

林 诚杨会峰，*刘伟庆陆伟东凌志彬郝建东

（1.南京工业大学土木工程学院，南京210009；2.东南大学土木工程学院，南京210096）

预应力胶合木梁的受弯性能试验研究

林 诚1杨会峰1，*刘伟庆1陆伟东1凌志彬2郝建东1

（1.南京工业大学土木工程学院，南京210009；2.东南大学土木工程学院，南京210096）

对21根胶合木梁的受弯性能进行了试验研究，其中包括螺纹钢筋增强、预应力胶合木梁和未增强胶合木梁。通过试验分析了构件的破坏形态与破坏机理，对比分析了不同构件的极限荷载与抗弯刚度等受弯性能。试验结果表明：增强或预应力构件的破坏形式主要表现为受压区屈服破坏；相比未增强胶合木梁，非预应力钢筋增强胶合木梁的受弯极限承载能力提高了14%，而预应力增强胶合木梁则提高了19%～50%；梁内无粘结预应力配筋对构件的物理刚度贡献不大；在木梁受压区配置适当的非预应力钢筋，能进一步提高其结构性能。

胶合木梁，预应力，试验研究，受弯性能

1 引 言

胶合木梁的弯曲破坏形态大受是受拉脆性破坏，木材强度尤其是其抗压强度利用率不足。为改善和提高胶合木梁的受弯性能，学者不断尝试和探索利用金属材料和纤维增强复合材料（FRP）等对胶合木梁进行增强［1-4］，并取得了较好的效果。然而经增强后的胶合木梁依然存在如下问题：①增强材料价格较高，且其高强度通常得不到充分利用；②木梁的承载能力主要受变形控制，增强后木梁的刚度虽有提高，但依然存在变形大的问题。鉴于此，有学者开始研究利用预应力对胶合木梁进行增强。

20世纪中期，Bohanna［5］和Person［6］提出利用对金属材料施加预应力的方法来增强胶合木梁；Saucier和Holman［7］采用预应力FRP来增强木构件。Triantafillo［8］、Dolan［9］、Brunner［10］和Vincenzo［11］等分别通过试验研究，分析了预应力材料、预应力施加方法等对胶合木梁受弯性能的影响。研究表明：施加预应力不仅可提高胶合木梁的承载能力、改善其刚度性能，还可使木梁的破坏形态从受拉脆性破坏转变为受压延性破坏。Pevris［12］、Brunner［13］、Moayyed［14］利用数值模拟方法研究施加预应力对胶合木梁的影响，还对其预应力损失问题进行了较深入的研究。Guan［15］、Anshari［16］、Valiqour［17］采用有限元方法研究多个参数对其受弯性能的影响。综上所述，通过对胶合木梁施加预应力，可有效提高其受弯性能，并可提高材料的利用率。

本文将通过试验研究，探讨预应力胶合木梁的受力机理，分析其破坏形态，研究其极限承载力和刚度等短期结构性能。为预应力胶合木在大跨木结构建筑及桥梁结构中的加工设计与工程应用提供参考。

2 试验概况

2.1 材料性能

木梁采用花旗松胶合木，预应力钢筋为精轧螺纹钢筋，受压区钢筋与胶合木之间胶粘剂采用双组份环氧树脂植筋胶。材料的物理力学性能见表1和表2，其中胶合木与钢筋的数据通过试验获得，胶合木抗拉强度为其中的指接层板试验数据；预应力钢筋和胶粘剂的力学性能由生产单位提供，表中所有数据均为平均值。

表1 材料的物理力学性能Table 1 M aterial properties

表2 钢筋的物理力学性能Table 2 Material properties of steel bars

2.2 试件设计

本次试验设计6组共21根胶合木梁，试件截面尺寸均为75 mm×300 mm×6 000 mm，试件截面形式如图1所示，具体试件参数见表3。

图1 梁截面形式Fig.1 Beam section types

表3 试件参数Table 3Details of tested beam s

2.3 试验加载装置与量测方案

试验装置如图2所示，采用三分点加载，且采取了防止侧向失稳的措施；在支座及跨中设置3个位移计，锚固端设置20 t压力传感器，在梁跨中侧面沿高度均匀设置应变片。预应力筋张拉时主要测试预应力钢筋的应变和木梁反拱值。试验加载时主要测试构件的挠度值、极限荷载、跨中截面应变值、预应力钢筋及普通钢筋应变。加载时采用位移控制连续加载方式，所有测量数据均由3 816 N静态应变测试系统同步采集。

表4 各组试件破坏形态及破坏机理Table 4 Failuremodes and failuremechanism of the beams

图2 试验装置Fig.2 Test set up

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态与破坏机理

在胶合木梁受拉区设置增强材料，可使木梁受压区木材得到充分利用，而其破坏形态也发生相应变化，从原来的受拉区木材脆性破坏变成可预计的受压延性破坏。而对增强材料施加预应力，可通过反拱形式进一步减小木梁的变形。各类构件的详细破坏形态及破坏机理见表4和图3。

图3 破坏形态Fig.3 Failuremodes

3.2 荷载位移曲线

图4给出了各组试件的荷载－跨中位移曲线，图5为各组代表试件的典型荷载位移曲线对比图。由图可知，经预应力增强构件的极限承载力得到了较大提高，而增强及预应力木梁的延性性能也得到显著提高。

图4 荷载-跨中位移曲线Fig.4 Load-deflection curves

3.3 结构性能对比分析

图6对各组试件的极限承载力和抗弯刚度（平均值）做了详细对比，由图可知：非预应力增强构件的极限承载能力比未增强构件提高了14%，刚度提高了11%；预应力增强构件的极限承载力相比未增强构件提高了19%～50%，但刚度提高幅度不大。预应力增强构件相比非预应力增强构件极限承载力提高了4%～31%。若在构件的受压边配置了非预应力钢筋，构件极限承载力会进一步提高，如试件P4比试件P1承载能力高15.4%，刚度提高14.6%。

图5 代表性试件的荷载-跨中位移曲线Fig.5 Load-deflection curves of the typical specimens

图6 各组构件的结构性能对比Fig.6 Comparison of structural performances of different test groups

若按照木结构相关规范规定，在图4中按照挠度限值［w］＝l／250进行承载力界定，则在跨中位移达到设计要求挠度限值时，预应力增强构件的极限承载力，相比未增强构件提高了47%～78%，相比非预应力增强构件提高了30%～58%。

4 结 论

经钢筋增强或施加预应力后，胶合木梁的极限承载力和抗弯刚度等结构性能得到了显著提高。预应力增强构件还具有能够充分利用高强增强材料、减小使用过程中木梁变形等优点。因此，预应力胶合木在木结构中具有良好的发展前景。

根据试验结果，可得到如下结论：

（1）增强及预应力钢筋避免或延缓了胶合木梁的受拉脆性破坏，降低了木材缺陷对受弯性能的影响，取代以延性的受压屈服破坏形式；

（2）充分利用了木材的抗压强度并提高了构件的延性性能，预应力增强构件的极限承载力相比未增强构件提高了19%～50%；而预应力增强构件相比非预应力增强构件极限承载力提高了4%～31%；

（3）若在构件的受压边配置了非预应力钢筋，预应力木梁的极限承载力和抗弯刚度均会得到再提高；

（4）本文研究表明，无粘结预应力筋与木梁变形协调性能稍差，建议今后采用有粘结预应力工艺；

（5）蠕变对木梁结构性能及预应力损失均有影响，后续研究中尚需开展预应力胶合木梁的蠕变性能研究。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB／T 50708—2012胶合木结构技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB／T 50708—2012 Technical code of glued laminated timber structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2012.（in Chinese）

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Experimental Study on the Flexural Behavior of Prestressed Glulam Beams

LIN Cheng1YANG Huifeng1，*LIUWeiqing1LUWeidong1LING Zhibin2HAO Jiandong1
（1.College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A total of21 glued laminated timber（glulam）beamswere tested to failure to determine the flexural behaviors，which includes deformed steel bar reinforced beams，prestressed glulam beams and unreinforced control glulam beams.Through the experimental work，the failure modes and failure mechanism were discussed.The ultimate load and the flexural stiffness were compared with those of unreinforced control beams.The test results showed that the typical failuremode is the timber yield failure in compressive zone.Compared to the unreinforced control glulam beams，the ultimate load of deformed steel bar reinforced beams increased by 14%and the ultimate load of the prestressed glulam beams increased by 19%～50%.The introduction of the unbounded prestressing tendons has no obvious influence on the physical stiffness of glulam beams.Moreover，itwas found that themoderate reinforcement in compressive zonemay make further improvement on the structural performance of glulam beams.

glulam beam，prestressed，experimental study，flexural behavior

2013－04－22

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA03A204）

*联系作者，Email：yhfbloon＠163.com