竹-短木组合梁受弯性能试验研究

郎健珂，陈 强，2，王解军

（1.中南林业科技大学 现代木结构工程材制造及应用湖南省工程实验室，湖南 长沙 410004；2.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000）

随着人们生态环保意识的增强，木材作为建筑材料中可再生的绿色建材，重新回到人们的视野中。近年来，一些学者开始对木结构进行了研究。文献[1-6]对层板胶合木梁、旋切板胶合木梁以及不同截面形式的木梁进行了抗弯性能试验和数值模拟，分析了影响木梁结构性能的各种因素。文献[7-8]对带有不同深度纵向干缩裂缝的木梁进行了三分点加载试验和数值模拟，当裂缝接近木梁上下表面时，越不容易发生剪切破坏，对承载力影响越小。文献[9]研究了带槽口木梁的力学性能，分析了剪切应力和拉伸应力对应变的影响。竹材具有良好的力学性能，文献[10-12]分析了竹木组合工字梁的抗弯性能，进一步研究了腹板开孔梁的破坏机理。文献[13-16]对竹木组合矩形梁进行了研究，粘贴FRP和竹板后的木梁抗弯承载力有显著提高。以上研究主要针对完整的大尺寸木梁试件，但大尺寸木材生长时间长，价格昂贵，且木材加工过程中切除剩余的小尺寸短木往往得不到利用。

为改善木材利用率不足、成本昂贵的问题，本研究提出一种新型的竹-短木组合梁，以零碎的小尺寸实木拼合，粘结竹集成材而成。然后对竹-短木组合梁进行了受弯性能试验，并根据研究结果提出相应的结论和建议。

1 研究方法

1.1 试件设计

试验设计了3 组共9 根竹-短木组合梁，规格为90 mm×135 mm×2 000 mm，编号分别为A1～A3、C1～C3 和D1～D3，其中A1～A3 为木梁对比试件，C1～C3 为直拼方式的竹-短木组合梁（SBT），D1～D3 为搭接方式的竹-短木组合梁（OBT）。竹-短木组合梁由若干个小尺寸实木拼合，并在梁下表面粘贴1 层厚度为5 mm 的竹集成材。首先将短木与短木、短木与竹集成材之间的接触面刨平，保证拼合后无肉眼可见缝隙，用酒精或丙酮清洗干净，采用双面涂胶，然后用重物均匀静压，以木工夹具临时固定，以防木梁和竹片产生相对滑移。最后在室温20 ℃左右加压48 h，干燥养护5 d。试件具体尺寸及特征见图1。

图1 试件特征及尺寸Fig.1 Details of test specimens

1.2 试验材料

试验选用樟子松，为测得木材的抗压强度，制作了4 组共20 个受压试件，试件具体参数见表1。

表1 木材受压试件尺寸Table1 Timber compression test specimens

试件在液压万能试验机上进行，试验过程和试件破坏特征如图2和图3所示。

木材抗压试验结果表明，木材的顺纹平均弹性模量为7 254 MPa，平均抗压强度为24.22 MPa。

竹集成材产自湖南益阳桃花江竹业有限公司，由4～6年生的毛竹加工而成，规格为5 mm× 90 mm×2 000 mm，试验测得密度为820 kg/m3，含水率为10.7%，弹性模量为10 150 MPa。试验采用AB 型环氧树脂胶，特点为强度高，固化时间短，环境危害小。

1.3 加载装置与测点布置

为记录试件在加载过程中的竖向位移和应变情况，在两端处顶面、加载点下方、跨中位置共布置5 个位移计，在梁跨中截面、顶面和底面共布置22个应变片。数据采集系统采用DH3818 静态应变测试仪，竖向荷载经过连接荷载传感器的分配梁传递至试件。加载方式采用三分点加载，正式加载前对试件进行预加载，试验加载装置见图4。

2 结果与分析

2.1 破坏形态

图2 木材受压试验Fig.2 Compression test of timber specimens

图3 木材破坏形态Fig.3 Failure mode of timber compression test specimens

对比试件A1～A3 为木梁，当竖向荷载增至极限荷载的40%～50%时，受拉区木节容易产生应力集中，开始出现裂缝，并沿45°方向延展。随着荷载的增加，裂缝进一步发展，最后导致试件受拉区木纤维达到极限拉应变，发生受拉破坏。

C1～C3 为SBT，加载初期出现细微的响声，短木接触面存在缝隙，受拉区接触面出现裂纹。当接近极限荷载时，由于变形过大，受拉区短木接触面出现剥离，拉应力由短木和竹集成材共同承担转化为仅由竹集成材承担，木材强度未能完全发挥，最后，竹集成材在加载点下方短木接触面位置发生剪切破坏。

图4 试验加载装置Fig.4 Test setup

D1～D3 为OBT，当竖向荷载增至50%极限荷载时，加载点处接缝有一定程度扩展，可听到裂开的声音。荷载增至极限荷载的80%时，试件整体竖向变形过大，导致加载点下方受拉区接缝剥离，跨中接缝在中性轴附近沿45°方向出现裂纹，受压区木纤维达到屈服压应变。最终由于竹集成材达到极限拉应变，试件发生受拉破坏。

试件典型破坏形式如图5所示。

2.2 试验结果

表2给出了主要的试验结果，包括极限荷载Pu，跨中挠度Δu，抗弯刚度EI。其中，抗弯弹性模量E计算公式如下：

式（1）中，E为抗弯弹性模量，L为梁的跨度，a为梁截面高度，ΔF为荷载增量，Δe为ΔF作用下梁所产生的中点挠度，b为梁截面宽度。

由表2可知，C2 试件极限承载力较低，是因为试件加工制作过程中接触面不平整，使得加载过程中短木与短木之间发生滑移现象，剪切应力导致整体试件过早破坏。对于跨中受拉区有明显木节的试件，SBT 相比木梁，受弯承载力降低了21.7%，刚度降低了15.0%，跨中挠度降低了10.5%，OBT 相比木梁，受弯承载力提高了4.3%，刚度降低了15.4%，跨中挠度提高了38.0%；对于跨中受拉区无明显木节的试件，SBT相比木梁，受弯承载力降低了25.0%，刚度降低了11.5%，跨中挠度降低了21.9%，OBT 相比木梁，受弯承载力增加了0.3%，刚度降低了13.3%，跨中挠度增加了23.5%。其中，OBT 试件的受弯承载力是SBT 试件的1.35 倍，说明搭接方式的效果较好，破坏临界值更高。

表2 主要试验结果Table2 Main test results

2.3 荷载-跨中挠度曲线

试验过程中对各个试件的跨中挠度进行了测试。在0～20%极限荷载阶段，荷载-挠度呈线性变化；随着荷载的增加，SBT 和OBT 试件曲线斜率均发生一定程度的减小，其中D2 试件下降幅度最快，较早的发生了破坏，说明受拉区边缘木节对试件强度有所影响，导致抗弯刚度降低，极限承载力下降显著。达到80%极限荷载时，曲线增长均有所缓和，进入弹塑性阶段，随后很快发生破坏，破坏具有突发性，为脆性破坏。当卸载后，各个试件变形均有一定程度的回弹，但仍然存在残余变形。荷载-跨中挠度曲线如图6所示。

图6 荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Load-displacement curves of mid-span

2.4 应变变化情况

从3 组试件中分别选取典型试件以验证平截面假定，如图7所示。

图7 跨中截面沿高度应变变化图像Fig.7 Strain profile at mid-span cross-section

可以看到，在弹性阶段，应变沿跨中截面高度呈线性变化，说明试件均满足平截面假定。C3和D3 试件中性轴有明显下移，大部分拉应力由梁底部的竹集成材提供。C3 试件破坏时，跨中截面未发生破坏，破坏主要集中在荷载加载点附近的接缝处，产生的剪切应力将竹集成材剪坏。D3 试件随着荷载的增加，梁侧拉应变有减小的趋势，最终破坏时，跨中最大拉应变超过了9 000 με，达到了竹集成材破坏时的极限拉应变，跨中最大压应变接近6 000 με，达到了木材的屈服压应变，和试件顶部出现压屈褶皱现象相吻合。

3 理论分析

3.1 位移延性

结构的延性是指结构的承载能力无明显降低，屈服后发生非弹性变形的能力，主要表现为结构刚度降低，变形增大，有较好的耐受变形能力。延性大小通过延性系数体现，梁的位移延性系数μΔ为：

式（2）中，Δu为极限状态下的位移，Δy为屈服状态下的位移。

结果表明，SBT 相比木梁，延性提高了2.4%～24.8%，OBT 相比木梁，延性提高了7.3%～28.2%。搭接方式的组合梁能够有效抵抗局部失稳，相比直拼方式的组合梁延性略有提高（图8）。

图8 延性Fig.8 Ductility

3.2 受弯承载力计算

竹-短木组合梁受弯承载力计算采用下述假定：

1）木材和竹集成材均为理想弹性体，其应力应变呈线性关系；2）短木与竹集成材面板连接可靠，相对滑移较小，可以忽略不计；3）组合梁的截面变形符合平截面假定；4）不考虑受拉区木材参与工作。

试件在加载过程中破坏形态基本表现为受拉破坏，图9为竹-短木组合梁截面计算简图。

图9 竹-短木组合梁截面计算简图Fig.9 Equivalent calculation diagram of bamboo-timber composite beam

由内力和力矩的平衡条件可得：

式（3）中，h为木梁截面高度，ht为木梁受拉区高度，hb为竹集成材厚度，b为梁截面宽度，σc为木梁顶部压应力，σt为木梁底部拉应力，σb为竹集成材拉应力，Mu为竹-短木组合梁截面弯矩设计值。

由材料参数实测值，根据式（4）计算跨中截面弯矩值，并将其与试验值进行对比，如表3所示，K为平均值。对于跨中受拉区有明显木节试件，考虑天然缺陷及干燥缺陷影响，结果取0.65 的折减系数。

表3 受弯承载力计算值与试验值对比†Table3 Comparison of theory value and test value of bending capacity

由表3可知，竹-短木组合梁受弯承载力理论值与试验值误差不超过10%，平均误差控制在10%以内。因此，可以认为该受弯承载力计算公式是合理可行的。

4 结论与讨论

本研究通过9根竹-短木组合梁受弯性能试验，得出了组合梁试件的荷载挠度关系、跨中截面沿高度应变变化情况以及荷载应变关系。根据试验结果可得出以下结论：

1）竹-短木组合梁受弯试验为脆性破坏，主要破坏形态为梁底部受拉破坏，OBT 试件延性最高，受拉区木节对受弯承载力有较大影响。

2）SBT 试件对比木梁，受弯承载力平均降低23.9%，刚度平均降低12.7%，同时跨中极限挠度平均降低18.1%；OBT 试件对比木梁，受弯承载力平均提高1.6%，刚度平均降低14.0%，同时跨中极限挠度平均提高28.3%；竹-短木组合梁力学性能可以媲美木梁。

3）竹-短木组合梁受弯试件截面沿高度应变情况均符合平截面假定，竹集成材最大拉应变超过9 000 με，抗拉强度得到充分发挥。

4）提出了竹-短木组合梁受弯承载力计算简式，计算结果误差较小。

竹材是一种绿色建筑材料，具有可再生特性，且性价比高，将竹-短木组合梁替代木梁应用于工程中，可以有效降低成本。但本研究局限性在于试件数目较少，竹集成材厚度对强度的影响尚需进一步研究。