薄壁钢木组合梁承载力实验研究★

李彤桐 王超凡 洪浩凯 王秉钧 朱成浩 李国东*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



·结构·抗震·

薄壁钢木组合梁承载力实验研究★

李彤桐 王超凡 洪浩凯 王秉钧 朱成浩 李国东*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

采用试验方法，研究了3个梁试件受弯状态下的力学性能，通过实验现象及数据，对钢木组合梁的变形特点、应力分布以及破坏机理进行了分析，结果表明，钢木组合梁延性好、承载力较高，完全可以满足工程需求。

钢木组合梁，方木，承载力，延性

我国倡导绿色、安全的建筑结构，以胶合木为主的现代木结构以及适于建造底层建筑的冷弯型钢结构符合政策导向，更具有发展前景。胶合木抗弯强度相对较低，材质脆性大，梁式构件的跨越能力差，增强木梁是木结构研究的热点。针对木梁的受力特点，国内外学者提出了对普通木梁进行加强，以及一些提高其承载力及变形性能的措施，并进行了相应的研究，其中主要包括配置钢筋或钢丝和配置纤维材料两方面。在配置钢筋或钢丝方面，文献[1]在木梁内部进行张弦，从而形成预应力张弦木梁，并通过1∶2比例的模型试验，证实了此种构件比普通木梁在刚度上有较大的提高，给出了张弦木梁的挠度计算方法并分析了影响刚度的因素；文献[2]～[4]对配置钢丝的预应力木梁和预应力钢木组合结构进行了一系列试验研究和理论分析，推导了集中荷载作用下上述构件的挠度计算公式，并分析了腹杆及所施加的预应力值对抵抗弯曲变形的影响。文献[5]提出了一种在胶合木上、下表面开槽，放入钢筋后灌入树脂胶形成的组合梁，通过拧紧下部钢筋端部的螺帽来施加预应力，对胶合木梁、配筋胶合木梁以及配筋并加预应力的胶合木梁进行对比试验，结果表明配置钢筋后，梁的强度、刚度和延性都有显著提高，施加预应力能使梁的刚度和延性进一步提高。

将薄壁钢与方木组合一起形成的组合梁是一种全新的增强木梁的方式，通过薄壁型钢与方木的截面组合不仅能发挥木材抗压能力强的优势，还能避免薄壁钢构件局部屈曲和畸变导致的承载能力降低的缺点。但国内外关于上述组合方式的木梁的研究成果尚不明确，因此，设计制作了3根薄壁工字钢与方木组合的钢木组合截面梁，拟通过实验方法对其受弯状态下的变形特点、承载能力进行研究。

1 钢木组合梁及试件

工字型薄壁钢胶接方木的组合截面梁是一种新型的增强木构件，由工字型薄壁钢、胶合方木、结构胶粘层三部分组成，其构造如图1所示，构件组合时将“工”字形薄壁钢上表面涂高强度胶，将胶合方木材与之粘结为一体，形成以方木受压、工字钢大部分截面受拉的具有良好经济性能和实用性能组合。

试验梁长3 000 mm。其中，工字型薄壁钢材质为Q235，截面尺寸为100×100×2.5，方木尺寸为100 mm×100 mm，选用了东北落叶松，符合《木结构设计规范》的强度等级TC17的要求，粘结胶采用高强度木工接榫铁胶。构件示意图如图1所示。

2 钢木组合梁承载力试验

2.1 加载设备与测点布置

试验采用反力架配合千斤顶手动加载的方式和对组合木梁进行加载，分配梁由长度为1 100 mm的工字钢和两个钢轴组成，钢轴间距1 000 mm，能将千斤顶施加的荷载以集中分力的形式作用于钢—木组合梁的三分点上，木梁的两侧支座为钢滚和三角钢固定钢支座，通过水平位移的控制使之满足铰支撑的条件，组合木梁下设钢垫板，钢垫板与组合梁的支承长度为100 mm。

试验时设置了3个位移测点以采集钢木组合梁在加载过程中的竖向变形情况。每个测点均设置一部机械式百分表，百分表的量程为100 mm，最小分度值为0.01 mm。测点1位于钢木组合梁的跨中顶部，测点2和测点3分别位于钢木组合梁两端的顶部。在梁跨中的工字梁的侧面及下部布设3道应变片；方木的上部及侧边同时布设3道应变片，以采集梁的应变数据。测点的具体位置如图2所示。

2.2 试验过程及现象

设计并制作3根钢木组合梁，编号分别为ML1，ML2，ML3。每根组合木梁试验前先以20 kN的力加载3 min后卸载至0 kN，往复三次。然后采用逐级加载的方式对每组梁依次进行试验，第一级加载为10 kN，第二级加载为10 kN，以后每级加载5 kN。每级加载完成后持荷5 min，逐级加载直至试件失效。

钢木组合梁ML1加载至40 kN时，上部方木在梁距左侧1 150 mm处出现斜向裂缝，加载至45 kN时，发出声响，斜向裂缝开展至梁底，裂缝附近出胶合面有脱离，不适于继续加载，根据梁破坏的现象判断，梁的破坏源于分配梁下钢轴的局部挤压导致的剪切破坏。因此在钢木组合梁ML2，ML3试验时，将钢轴下的垫板加宽至50 mm，梁ML2，ML3未发生类似的破坏。

梁ML2加载至50 kN时，组合梁偶然发出“叭”的声响，经观察未发现组合梁有损坏，停止加载后，跨中处的百分表示数稳定，继续加载至50 kN，加载中仍有声响间断发出，持载时观察梁，发现加载点附近的方木与工字钢的粘结层有裂隙，停止加载后，跨中处的百分表示数稳定。继续加载至60 kN，粘结层的裂隙逐渐出现在梁的纯弯区段，但未连成片。加载至70 kN时，能清晰地听到木材劈裂声，73 kN时在距梁端1 350 mm处木材破坏，在形态上是压挤状破坏。在加载60 kN至破坏时，位移测点的百分表读数逐渐增大，表明梁发生了塑性变形。

梁ML3加载至45 kN时，组合梁偶然发出声响，加载至50 kN时，加载点附近的方木与工字钢的粘结层同样出现了裂隙。继续加载至55 kN，梁的纯弯区段粘结层的裂隙逐渐显现。加载至60 kN时，听到木材劈裂声响，在距梁端1 280 mm处胶接处出现长约30 mm的开裂，继续加载至65 kN开裂处的裂缝扩展至125 mm，裂隙处有部分区域粘结胶将方木下边缘撕裂出裂缝。继续加载至68 kN时，方木与钢材的胶接大幅开裂，方木沿胶接面的裂缝迅速开展，直至贯通方木，加载试验停止。

试验结束后，观察各个梁试件。其中梁ML1下部的工字钢无明显的形变；ML2，ML3的工字钢发生了整体弯曲的形变，但工字钢的上、下翼缘以及腹板未发现明显的局部变形。

2.3 组合梁承载能力分析

通过对ML1，ML2，ML3组合木梁的试验，得到了梁丧失承载力时的极限荷载分别为45 kN，73 kN和68 kN。3根组合木梁的失效现象中，ML1是由加载方式不合理导致梁的局部损坏，ML2从试验现象上看是组合梁的上部方木达到了受压强度极限值而发生的构件损坏；ML3是胶接面局部开裂导致了胶接面的失效，同时在开胶区域，因钢木接触面的变化，导致了应力集中的现象，应力较大处的局部木材因受拉破损造成了材料上的缺陷，随着后续的加载受损处的木材破坏急剧发展而导致了梁构件的损坏。以上实验结果说明，加强胶合面的胶合质量是保证组合梁承载力的重要因素。

依据文献[6][7]中的相关规定，对组合梁的承载能力进行估算，当按弹性状态进行计算分析时，组合梁的理论极限加载46.8 kN。当按照完全塑性状态进行计算分析时，组合梁的极限加载为117.5 kN，而ML2的实际加载为73.0 kN，是弹性理论估算值的1.56倍。表明组合梁在弯曲状态下能较充分的发挥材料的强度。

通过位移数据和测点应变数据的显示，表明ML2，ML3在前5级加载过程中呈弹性状态，当加载超过40 kN时，梁表现出明显的非线性变形特征，加载至破坏时梁跨中的变形量达到116 mm，说明梁具有较好的延性。状态具有明显的塑性变形特征，试件ML2跨中位移实测数据如图3所示，工字钢下翼缘处的应变片9和方木上部的应变片1的应变如图4所示。

3 结论及讨论

通过实验方法对3根薄壁工字钢与方木组合的钢木组合截面梁进行了力学性能的研究，分析结果表明：

1)钢木组合梁具有良好的承载能力。试件ML3的承载能力是弹性计算方法计算值的1.5倍，说明组合梁在弯曲状态下能较充分的发挥材料的强度，经济性良好。

2)试验数据显示钢木组合梁在达到极限状态时组合梁将发生显著的变形，改善了普通木梁的脆性破坏的缺点。

3)试件ML2因胶接部位的胶开裂导致了构件承载能力的降低，说明钢木组合梁钢与木的胶结层是构件的薄弱部位。保证钢与木的胶结质量是实现组合梁良好承载能力以及变形能力的关键因素。

以上结论初步确定了工字钢与方木相组合的组合梁力学性能，关于组合梁的承载力计算理论、设计方法以及钢木之间可靠连接的构造措施是有待深入研究的问题。

[1] 张济梅,潘景龙,董宏波.张弦木梁变形特性的试验研究[J].低温建筑技术，2006(2):49-51.

[2] 狄生奎,宋 蛟,宋 彧.预应力木结构受力特性初步探讨[J].工程力学，1999,2(sup):454-457.

[3] 狄生奎,韩建平,宋 彧.集中荷载作用下预应力木梁的设计与计算[J].工程力学，2000(sup):248-251.

[4] 宋 彧,林厚秦,韩建平，等.预应力钢筋—木结构受力性能的试验研究[J].结构工程师，2003(1):54-60.

[5] Vincenzo De Luca, Cosimo Marano. Prestressed glulam timbers reinforced with steel bars[J].Construction and Building Materials,2012,30(5):206-217.

[6] GB 50005—2003，木结构设计规范[S].

[7] GB 50017—2006，钢结构设计规范[S].

Experimental research on the bearing capacity of steel-wood composite beams★

Li Tongtong Wang Chaofan Hong Haokai Wang Bingjun Zhu Chenghao Li Guodong*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Three beams’mechanical properties under bending state was studied by experiment. Through the experiment phenomena and data, this kind of beams was analyzed from its deformation characteristic, strain distribution and the damage mechanism. The results show that the beams have good ductility, high bearing capacity, which can fully satisfy the project.

steel-wood composite beams， lumps of wood, bearing capacity, ductility

1009-6825(2016)13-0035-02

2016-02-28★:大学生创新创业训练项目计划(项目编号：201510225172)

李彤桐(1995- )，女，在读本科生； 王超凡(1995- )，女，在读本科生； 洪浩凯(1995- )，男，在读本科生；

李国东(1976- )，男，讲师

TU312

A

王秉钧(1994- )，男，在读本科生； 朱成浩(1996- )，男，在读本科生