镀锌钢带加强的木-混凝土组合梁的承载力性能及其数值分析

刘 慧，曹宝珠，曾 翔，欧马立·加斯索，许海雄

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

镀锌钢带加强的木-混凝土组合梁的承载力性能及其数值分析

刘 慧，曹宝珠，曾 翔，欧马立·加斯索，许海雄

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

对两个采用镀锌钢带加强的木-混凝土组合梁试件进行了试验，分析了其力学性能和受弯破坏形态，得到了跨中荷载-位移曲线及组合梁沿截面高度的纵向应变分布.结果表明，两个组合梁试体在木肋与混凝土板之间和木肋与钢带之间，其界面都发生了滑移，但影响较小；钢带最终屈服和组合梁受力性能有所改善.通过数值分析得出，当极限荷载时加钢带的木-混凝土组合梁的位移值减小截面中和轴有所下降.

镀锌钢带； 破坏形态； 滑移； 数值分析

目前，木-混凝土组合结构在国内外已有一定的应用和较为系统的受力性能研究，是一种较环保的新型结构形式 ，其适用于生态系统较脆弱，恢复较难的小型海岛.但由于木材纤维方向和垂直方向的物理力学性能差距较大，在受拉破坏和受剪破坏方面具有脆性性质和强度较小的缺陷[1]，而钢材具有高强、质轻、抗受力破坏等优点，因此它可以弥补木材的缺陷，故钢木组合可表现出优良的抗震性能.另外，考虑材料运输和房屋建造成本较高的问题，采用钢木组合结构体系可实现装配式施工，具有较好的实用价值[2-3]，因此，它是一种适用于装配式的结构体系.由于防火的要求[4-6]，钢木结构的应用范围受到了限制，因此可将钢木组合结构应用于木-混凝土组合结构，从而发挥各材料的特点，使其结构性能更为优化，提高其受力性能.木-混凝土组合梁的剪力连接件是影响刚度、承载力和抗弯破坏的重要因素之一，借鉴国内外已有的成果[7-11]，本研究将镀锌钢带用螺栓固定在木肋底面和端部，使其与木-混凝土组合梁建立起合理的构造形式，并对钢带加强的木-混凝土组合梁的承载力性能进行了试验研究，旨在为钢木-混凝土组合结构在热带海岛的应用提供理论依据.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作 本试验的两个试件(TCCG1、TCCG2)由厚1 mm的镀锌钢带、杉木、钢筋混凝土制作而成.图1(a.b.c)为试件的设计构造图(镀锌钢带是由螺钉固定在木肋上)，为保证木梁和混凝土板组合后共同受力，根据已有文献得出的结论，确定抗剪连接件为并列布置，如图1(c)所示[10-13].

混凝土的设计强度等级为C30，配合比按水 ∶水泥 ∶砂 ∶石子=195 ∶398 ∶614 ∶1 193制作.组合梁其他材质规格分别采用TC13木肋、Q235钢带、HPB235钢筋及SFS VB-7.5螺钉，经加工后将带剪力连接件的木肋与钢筋混凝土板浇筑为一体，再将钢带装配到木肋底面.实测钢带屈服强度为270 MPa，混凝土立方体经28天龄期的抗压强度为22.35 Mpa，木材顺纹的抗压强度为36.5 Mpa.试验时，试件支座和跨中共布置3个百分表以测量梁位移.为分析截面应变的分布情况，在跨中部位沿梁的厚度方向布置了5个应变片(C1、C2、C3、C4、C5)，同时沿梁界面布置3个应变片(C6、C7、C8)，共8个应变片，如图1(d.e.f)所示.

1.2 加载方案 本次两组试验均采用三分点对称方式来实施加载，试件组合梁(TCCG1、TCCG2)置于反力架下，一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座，为保证组合梁不先发生侧向倾倒，在试件支撑点处分别固定了一木块(用于加强).千斤顶置于分配梁跨中，并设力传感器，施压采用的是分级加载，每级荷载施加稳定后持续2 min左右，以使梁变形充分发展，采集数据1次，并观察裂缝出现及发展的趋势，加载装置图如图2所示.试件以木肋断裂为破坏判别标准.

1.3 试验结果与分析

1.3.1 破坏特征 试件(TCCG1、TCCG2)的破坏形态均为弯曲破坏，如图3所示.初始加载时，试件均处于弹性阶段，未出现任何表征.试件TCCG1，加栽15%极限荷载时，纲带与木肋发生滑移较小当荷载加至55%极限荷载时，木肋与混凝土板之间发生较小滑移，此时混凝土板跨中开始出现裂缝，随荷载的继续增大，裂缝不断扩展，当加载60%极限荷载时，纲带与木肋之间有较大滑移，且产生挤压，荷载为75%极限荷载时，木肋呈45°倾角底部靠近跨中处约呈45°倾角开裂，并继续变宽.当梁竖向挠度逐渐增大，达到极限荷载18 kN(不含自重)时，构件竖向位移为63 mm.对于试件TCCG2，当加载到30%极限荷载时，试件发出细微的响声，故判断为混凝土板和木肋之间的粘结发生局部破坏，当加载到约极限荷载的45%时，首先在加载点附近出现裂缝，并缓慢展开，此期间不断有噼啪响声，混凝土板裂缝扩展并延伸，组合梁跨中挠度显著增加，加载到60%极限荷载时，木肋与混凝土、木肋与钢带发生较小滑移，随后当约加载到70%的极限荷载时，木肋跨中出现横向裂缝，并不断扩展，当荷载加至极限荷载的90%时，木肋底部发出巨响，跨中木材撕裂，钢带随木肋变形并发生一定位移，构件承受的极限荷载为13 kN(不含自重)，最大竖向位移为46 mm.

1.3.2 荷载-位移曲线 试件TCCG1和TCCG2的荷载-跨中位移曲线如图4，曲线初始呈线性变化，随着荷载变大，曲线开始趋于平缓，呈非线性变化.TCCG1位移增长较多，因此认为TCCG1所产生的混凝土与木肋的滑移较TCCG2的大，受到一定影响.

1.3.3 荷载-应变曲线 图5为试件跨中截面的纵向应变沿截面高度的分布情况，其中组合梁木-混凝土交界面的截面高度设为0(即组合梁交界面)，Pu为极限荷载值，P/Pu为不同阶段荷载与极限荷载的比值.图5显示，由于相对滑移的存在，木肋与混凝土板的交界面处应变分布不再连续，木肋与钢带之间开始符合平截面假设，之后发生滑移，交界面处应变不再连续，TCCG1较TCCG2的滑移大.钢带达到屈服状态，组合梁中性轴随荷载增加而向上移动.

2 组合梁位移的计算

目前，针对木-混凝土组合梁的计算方法主要是在弹性换算截面法计算的基础上来考虑滑移效应对变形的影响.在欧洲规范5附录B中，对木组合梁的计算近似在弹性体采用剪力连接折减法(计算刚度EI∞).但其受加载方式的限制，Ceccotti[12]对其进行了修正，扩大了加载方式和边界条件下的应用范围.此后，Girhammar和Pan[13]在Euler-Bernoulli beam理论的基础上建立起含滑移效应的部分组合梁的挠曲方程，此方程假定了均质材料的组成，且受拉压状态为弹性状态.

文献[13]中跨度为L的木-混凝土组合梁的最大位移ωmax如下：

(1)

如图6，EI∞为组合梁粘结在一起时的弯曲刚度，EI0为组合梁各部分叠放在一起时的弯曲刚度，EAp为组合梁粘结在一起时的拉压刚度，EAp为组合梁粘结在一起时的拉压刚度，αL为组合梁连接系数.

2.1 试验验算 根据公式(1)，对文献[8]中木-混凝土组合梁试件WCCB的跨中位移值进行数值验算得出，其与实测值基本吻合，但在对钢带加强的木-混凝土组合结构进行计算时发现，剪力连接刚度的K取值对组合梁挠度的计算结果离散性较大，为了减小这一因素的影响，本文采用公式(2)进行计算，并引入钢-木组合结构的刚度影响系数ε来求得跨中位移值.图6(a)为组合梁计算模型，(b)为对TCCG应用公式(1)和(2)的计算值与试验值对比曲线图以及不采用ε修正的对比曲线图.公式(2)用于加钢带的木-混凝土TCCG较公式(1)更与试验值接近，不含ε时计算值偏差太大.

(2)

(3)

(4)

(5)

EAr=EAρ/EA0，

(6)

(7)

(8)

ε=0.05b2h2/L，

(9)

WCCB跨中位移实测值与计算值如表1，用公式(2)来计算本次试验试件TCCG，所得出的跨中位移值与实测值的对照表如表2.

2.2 试件位移值的对比 为了证明钢带对木-混凝土组合梁的受力性能有改善效果，本文设计了2组试件，对WCCB设置钢带为试件WCCBG，对TCCG去掉钢带为试件TCC.应用公式(2)来计算WCCBG的跨中位移值，TCC则采用公式(1)来计算，并分别与WCCB和TCCG进行对比，得到表3.

由表2数据可知，计算值与实测值基本吻合.

表3 跨中位移值对照表

可见，加钢带后位移值基本低于未加钢带组合梁的位移值，其中，有的数据偏差较大，故考虑是受计算公式中抗剪连接刚度的影响之故.

2.3 截面中和轴的计算 表4为根据欧洲规范5附录B所得的组合梁截面中和轴的计算值，即组合梁上表面到截面重心轴的距离y(如图6)，由表4可看出，加钢带后组合梁截面的中和轴下移.

4 结 论

通过对镀锌钢带加强的木-混凝土组合结构所进行的试验及数值分析，得出以下结论：

(1)试验得出试件的破坏形式为受弯破坏，以木肋断裂而告终，钢带屈服.

(2)根据计算所进行的理论分析，当为极限荷载时，加钢带的木-混凝土组合梁的位移值减小，截面中和轴有所下降，加钢带的木-混凝土组合梁的受力性能有所改善.

表4 组合梁截面中和轴的计算值

(3)经过分析，由公式(2)得出的钢带加强的木-混凝土组合梁的计算值与试验值较为吻合，但试验数量有限，还有待继续研究.

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Bearing Capacity and Numerical Analysis of Timber Concrete Composite Beam with Galvanized Steel Strip

Liu Hui, Cao Baozhu, Zeng Xiang, Oumali·Jiasisuo, Xu Haixiong

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, the static mechanical performance and damage mode of 2 specimens of timber concrete composite beam with galvanized steel strip were analyzed, and the load-deflection relationship, load-strain relationship along composite height direction was obtained. The data indicated that the interfaces between wood and concrete, wood and steel strip were moved, however, there were fewer impacts. The yield strength of steel strip and static mechanical performance of composite were improved. The results of numerical analysis showed that under ultimate load condition, the deflection and neutral axis of composite with galvanized steel strip decreased.

galvanized steel strip; failure mode; slipping; numerical analysis

2016-10-21

天津大学-海南大学协同创新基金(HDTOU201603)

刘慧(1990-)，女，内蒙古呼和浩特人，海南大学土木建筑工程学院2015级硕士研究生，E-mail：406249279@qq.com

曹宝珠，(1970-)，男，黑龙江林口人，博士，教授，研究方向：钢结构与组合结构性能研究，E-mail：Caobaozhu.e@163.com

1004-1729(2017)02-0180-06

TU398

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0030