冷弯薄壁型钢梁—OSB板组合楼盖的抗弯刚度研究

石宇+周绪红+宋凯+刘剑

摘要：通过对2块足尺冷弯薄壁型钢梁-定向刨花板（OSB板）组合楼盖的受弯承载力进行单调静载试验，分析了连接OSB板与冷弯薄壁型钢梁之间的螺钉间距对组合楼盖抗弯刚度的影响。采用拟正交异性板法计算了组合楼盖的抗弯刚度，在此基础上分析OSB板厚度、楼盖梁间距和截面尺寸等因素对组合楼盖抗弯刚度的影响，提出了常用冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖的等效抗弯刚度计算方法。结果表明：试件的破坏模式主要表现为楼盖梁发生弯扭屈曲的同时，受压区翼缘、卷边及腹板出现相关屈曲破坏，屈曲波长为相邻螺钉间距；OSB板没有明显破坏；螺钉间距对组合楼盖的弹性抗弯刚度影响微小；在弹塑性阶段，随着螺钉间距的增大，组合楼盖的刚度退化明显增大。

关键词：冷弯薄壁型钢梁；定向刨花板；组合楼盖；抗弯刚度；破坏模式

中图分类号：TU398.9 文献标志码：A

0 引 言

冷弯薄壁型钢梁-定向刨花板（OSB板）组合楼盖由间距400～600 mm的C形楼盖梁和套在其端部的U形边梁以及OSB板组成[1-3]。在楼面板与冷弯薄壁型钢楼盖梁之间通过螺钉可靠连接后，楼面板为楼盖梁提供了有效的侧向支撑，使冷弯薄壁型钢组合楼盖的刚度和稳定承载能力得到了明显提高[4-7]。

加拿大木结构委员会[8]提出了木结构楼盖有效抗弯刚度的计算公式；美国应用技术委员会[9]提出了冷弯薄壁型钢组合楼盖有效抗弯刚度的计算公式。中国对冷弯薄壁型钢组合楼盖的研究刚起步，滕学锋等[10-11]采用足尺模型对冷弯薄壁型钢组合楼盖的受弯性能进行了研究，周绪红等[12-14]采用试验对冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖以及冷弯薄壁型钢-OSB板组合楼盖的抗弯承载力进行了研究，而中国对冷弯薄壁型钢组合楼盖的刚度研究尚不够深入，亦无系统的计算方法。

为了研究冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖的抗弯刚度，本文对文献[14]中的2块足尺冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖试件的变形和破坏特征进行分析，研究OSB板与冷弯薄壁型钢梁之间的螺钉间距对组合楼盖抗弯刚度的影响。采用拟正交异性板法计算组合楼盖的抗弯刚度，在此基础上分析楼面板厚度、楼盖梁截面尺寸等因素对组合楼盖抗弯刚度的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计与钢材材性

2块足尺冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖试件的编号及构造设置见表1。试件FL-1的构造见图1，其中Y1～Y7为位移计，试件FL-2与FL-1除了OSB板与冷弯薄壁型钢梁连接的螺钉间距不同外，其他构造完全相同。支座加劲件的截面规格同楼盖梁，其长度为楼盖梁腹板高度减去50 mm，18 mm厚OSB板的纵向垂直于楼盖梁布置。所有钢材之间的连接采用4816型盘头自攻自钻螺钉，OSB板与钢材之间的连接采用4838型沉头自攻自钻螺钉，螺钉中心至构件边缘的距离为20 mm。

钢材材性试验根据《金属材料拉伸试验——第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）[15]的规定，从冷弯薄壁型钢楼盖梁中切取3个板状试件进行拉伸试验并取平均值，试验结果见表2。

1.2 加载装置

试验加载装置见图2，采用八分点加载模拟均布荷载。刚性钢框架台座的柱脚与地面导槽固定，钢框架H形截面钢梁翼缘上焊接长3 m的L50×5角钢作为试件的铰支座。试验时将组合楼盖沿边梁方向的2个端部分别搁置在钢框架台座角钢铰支座上，以进行定位、调整。

1.3 挠度测点布置

试件挠度测点布置见图1。将组合楼盖的中心

设为坐标原点，楼盖梁跨度方向为x轴，垂直跨度方向为y轴。考虑组合楼盖的对称性，试验中用位移计Y1～Y4来测量楼盖半个跨度范围内的挠度（其中Y1位于支座处，Y2，Y3位于加载分配梁的正下方，Y4位于组合楼盖的跨中），位移计Y5～Y7用来测量C形楼盖梁跨中的最大挠度，以观测垂直楼盖梁方向的挠度变化。

1.4 试验现象

图3为组合楼盖破坏模式。对于试件FL-1，当荷载较小时，各级荷载下的挠度平稳增加；当荷载增加至140 kN左右时，楼盖梁发生轻微扭转，除边部楼盖梁外，中间楼盖梁连接螺钉间的受压翼缘和卷边均出现畸变屈曲变形，腹板以连接300 mm的螺钉间距为半波长出现局部屈曲变形[图3（a）]。随着荷载的增加，靠近跨中弯矩最大区域及加载点附近的翼缘与腹板屈曲波幅增加较快，腹板面外支撑刚度迅速减小，出现局部侧向失稳变形；当荷载达到198 kN时，楼盖梁跨中发生折曲破坏。随着挠度的增加，组合楼盖的承载力下降，OSB板无明显破坏特征[图3（b）]。

对于试件FL-2，当荷载增加到120 kN时，在楼盖梁受压翼缘连接螺钉间形成一个畸变屈曲全波，波长为连接螺钉间距600 mm，同时腹板出现局部屈曲；当荷载达到170.16 kN时，楼盖梁折曲破坏，组合楼盖承载力下降，OSB面板未发生破坏。试验结束后，将2个试件OSB板拆除，破坏后的楼盖骨架见图3（c），试件FL-2的变形比试件FL-1的要大。

1.5 试验结果及分析

试件的荷载-挠度曲线见图4，其中挠度值取位移计Y4去除支座沉降后的挠度值。

从图4可以看出：加载初期，由于各试件之间存在空隙，没能有效共同工作，试件的刚度较小；当荷载增加至20 kN时，组合楼盖工作性能很好，荷载-挠度曲线呈线性增长；在弹性阶段，2个试件荷载-挠度曲线的直线段重合，表明螺钉间距对组合楼盖的承载力及刚度几乎没有影响；当荷载达到105 kN时，试件FL-2的楼盖梁屈曲，试件FL-1与FL-2的荷载-挠度曲线开始分叉，螺钉间距对组合楼盖承载力及刚度的影响作用开始显现，螺钉间距越大，屈曲后刚度退化越快。螺钉间距由150 mm（300 mm）调整到300 mm（600 mm），组合楼盖的极限承载力降低了14.32%。