空心胶合木柱轴心受压性能研究

杨孝博，王解军，陈 强，2，王智丰

（1.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004； 2.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000）

随着物质生活的富裕，人们崇尚自然、提倡环保的意识不断增强，木结构建筑以节能减排、绿色环保的理念越来越受到关注。传统的工程用木材生长周期长达几十年，可利用资源少，大径材林木更少，木材供需的结构性矛盾十分突出[1]。胶合木结构既解决了木结构防火防腐性差的问题，又能利用小型锯材，在提高木材利用率的同时降低成本，能满足大截面、大跨度构件的需要。

一些国内外学者开展了对木结构的研究。Chen,Qiang[2]进行了竹-原木组合梁受弯试验，表明竹材和木材能够协同工作。王解军[3]制作含有不同胶缝缺陷率的木梁试件，探究胶缝缺陷对承载力的影响。杨涛[4]提出一种正交胶合木T 梁构件形式，以增强结构整体性与耐久性。Cihat Tascioglu[5]、Taheri[6]、朱雷[7]、许清风[8]等作者在木柱加固方面做了深入研究，提出了FRP、CFRP等加固方法，获得了大量成果。

邵劲松[9]建立屈服荷载和屈服应变的计算公式,探讨受载后试件的工作机理和破坏模式。曾 丹[10]对不同长细比的落叶松胶合木柱进行试验研究，得到长柱稳定承载力稳定系数经验算式。刘雁[11]对木柱长期荷载作用下的蠕变性能开展工作，建立了蠕变本构方程。Matthias Theiler[12]等人对比多国规范提出了基于应变的新型承载力计算方法。吴坚晶[13]提出了一种新型竖嵌CFRP 层板增强的胶合木柱。目前对空心胶合木柱的受压性能研究较少，本文利用胶粘剂将小型锯材胶合成木柱，达到圆木柱相近的抗压承载力。制作了3 根木柱进行轴心受压承载力试验，记录在加载过程中破坏形态、挠度、承载力、应变的变化情况。

1 胶合木柱试件

试验共设计了3个试件，试件截面尺寸为外径340 mm、内径232 mm、长度为1 000 mm，按照长细比分类为短柱，如图1 所示。试件由小型锯材胶合而成，胶黏剂为间苯二酚树脂胶黏剂，保证其胶合强度不低于木材顺纹抗剪和横纹抗拉强度。加工过程中对锯材目测分级，保证每个试件强度基本一致。参照GB/T1931—2009《木材含水率测定方法》[14]测得该批胶合木的含水率为13%。通过计算对截面等份划分，刨削制作了20根相同尺寸拱形锯材，并制作了3个钢套圈对木柱定型胶合，用胶粘剂进行胶合时施加2 N/mm2压力，最后养护整形。

本试验木材选用樟子松，为了获得材料性能，对5个短柱试件进行了试验，规格为80 mm× 80 mm×240 mm，参 照GB /T 50329—2012《木结构试验方法标准》[15]测得抗压弹性模量为 8 230 MPa、抗压强度为23.24 MPa。

图1 胶合木柱试件示意图Fig.1 Diagram of specien

2 试验方法

试验采用湖南城市学院土木工程国家级实验教学示范中心结构实验室5 000 kN 压力试验机，应变数据选用XL2101C 程控静态电阻应变仪采集。压力试验机上下均采用球铰，保证了试验过程中试件受力均匀。为了监测试件受力过程中的位移和变形情况，在试件高度方向3/4、1/2、1/4 处设为A、B、C 共3个测面，每个测面的6 分点处环向间隔布置轴向和水平应变片各3个，一共18个应变片测点，同时在试件高度方向1/2 处4 分点处环向放置了4个X、Y 方向相互垂直的位移计测量柱中侧向位移。加载装置和测点布置见图2。

为保证试验过程中木柱的轴心受压，试验准备阶段采取几何对中与物理轴线对中措施。利用几何对中可以保证构件截面型心、压力机球铰中心及压力机中线在同一条纵向轴线上。物理轴线对中的方法，在正式加载前应对试件预加载，使9个纵向应变片的读数值和9个横向应变片读数值相差在5%以内。试验以0.3～0.5 kN/s 的速度匀速加载至试件破坏。每级荷载为30 kN，并读出各级荷载下的应变值和百分表数值，数据由XL2101C 程控静态电阻应变仪采集，观察并记录试验现象。

3 结果与分析

3.1 破坏形态

基于3 根空心胶合木柱轴心受压性能试验，分析了试件的破坏形态，试件典型破坏形式如图3所示。A-1 试件在荷载增至790 kN 时，发出劈裂声，柱中部出现横向裂缝，荷载增至860 kN 时，裂缝朝横向继续发展，当荷载增至930 kN 的过程中，试件由于裂缝增大，柱中侧向位移迅速增大，靠近柱中位置横向出现褶皱引起压屈破坏。A-2 试件在荷载增至810 kN 时，柱上部出现横向裂缝，当荷载增至1 000 kN 时，木柱底部出现褶皱环向长度是周长的一半，进而压屈。A-3 试件在荷载增至780 kN 时，出现“嘭”的声音，当荷载增至 880 kN 过程中，试件底部出现较长横向褶皱，破坏前有明显预兆。

图2 试验装置及测点布置三视图Fig.2 Test deviceand three views of measuring points

图3 空心胶合木柱典型破坏形态Fig.3 Typical failure modes of hollow glued wood column

3.2 试验主要结果

表1 给出了受压性能试验的主要试验结果，其中：Npeak为试件轴压极限荷载；σ为试件轴压极限应力，εpeak为试件轴压极限应变。

3.3 荷载-应变关系

试验过程中对各个试件的A、B、C3个测面横向应变、纵向应变进行了记录，对每个测面的应变取平均值，试验所得荷载-平均应变曲线如图4所示。

表1 空心胶合木柱特征参数统计Table 1 Statistics of characteristic parameters of hollow glued wood column

通过分析图4 中3个试件的荷载-平均应变关系曲线，可以得出以下结论：

在整个受压过程中，各试件纵向应变变化趋势基本相同，存在弹性阶段和弹塑性阶段。在弹性阶段中应变曲线斜率不变，呈线性关系。曲线斜率随着荷载增加随之减小，试件由弹性阶段过渡到弹塑性阶段，直到试件达到峰值荷载。随着变形的增加，承载能力快速下降，柱中侧向变形增大并出现压屈的现象，进而木柱失去承载能力。

图4 荷载—平均应变关系曲线Fig.4 Relation curve of load-average strain

在受压过程中，试件横向应变变化趋势有所差别，与试件制作误差、木节、截面弧度有关。从图4b 可看出A-1 柱横向存在受压变化，与轴向压应变相近，位于长度3/4处，整体呈现出线性增加趋势。A-2 柱横向应变整体最小，同时承载力最高。

3.4 荷载-位移关系

根据试验数据得到各试件的荷载-侧向位移曲线、荷载-轴向位移曲线，比较图中数据和试验数据可以得出以下结论：

由图5 可知：1）在加载初期，由于试件制作缺陷和物理偏心，使得试件存在微小侧向位移；2）在加载前半段，构件主要承受压应力作用，柱中侧向位移变化几乎为零。当荷载加载到最大荷载80%左右，侧向位移突然增大，随着荷载的增加呈线性增大，最大侧向位移为1.4 mm；3）A-1试件与A-2 试件的侧向位移存在几个增长台阶，这是由于木材属于各向异性材料，存在一定的层积效应，在加载过程中木材数次紧实；4）侧向位移最大的A-2 柱同时承载力也是最大，空心胶合木柱的允许变形范围大。

图5 荷载—柱中侧向位移关系曲线Fig.5 Relation curve of load-column lateral displacement

由图6 可知：1）构件主要承受压应力，在试验过程中，随着荷载的继续增加，轴向位移均匀增大；2）当荷载加载到最大荷载的80%左右，轴向位移达到6mm 左右后均突然增大，这是因为木材局部的褶皱和胶合面纵向开裂，构件失去承载能力；3）在加载过程中，荷载-轴向位移曲线具有一定的塑性阶段，试件破坏不是突然发生，属于延性破坏。

图6 荷载—轴向位移关系曲线Fig.6 Relation curve of load-axial displacement

3.5 承载能力

取5 根樟子松短柱轴压试验数据作为承载能力稳定系数的计算依据，根据GB50005—2017《木结构设计标准》[16]算式对相关试验组进行计算：

式中：1φ为本试验稳定系数值；Npeak为试件的稳定承载力试验值；A为试件受压面积；fu为短柱试件抗压强度。计算结果见表2。

查得樟子松锯材的强度等级为TC13，计算稳定系数按式（2）和式（3）计算：

式中：2φ为按GB50005—2017 计算的理论稳定系数值；ë为试件长细比；fck为受压构件材料的抗压强度标准值；Ek为构件材料的弹性模量标准值；ac、bc、cc为规范取值的材料相关系数。计算结果见表2。

轴心受压构件稳定承载力 0N按式（4）计算：

其计算结果见表2。

将空心胶合木柱环形截面积换算为圆形，得圆木柱直径为248 mm，按规范计算得圆木柱稳定承载力为1 059 kN，稳定系数为0.94。对比分析可得：采用空心胶合木柱后，计算承载力达到1 094 kN，稳定系数达到了0.97，均有所提高，但从表2 可知，试验所得承载能力稳定系数值比规范计算值有降低，稳定系数为0.90，试验效果欠佳，主要由于木节缺陷、初始偏心造成，在木柱受压过程中对稳定承载力有影响，A-2 柱最接近理想情况。在受压过程中木柱有外扩，横向存在拉力，导致承载力有所降低。采用空心形式后，相较同截面积的圆木柱，空心胶合木柱承载力有所提高，整体稳定性更加好，改善受力性能。

4 有限元计算结果分析

在木柱轴心受压试验研究的基础上，利用ABAQUS 有限元软件进行分析，材料为各向异性材料，通过工程常数定义材料，顺纹弹性模量为 8 230 MPa，横纹径向弹性模量为825 MPa，横纹切向弹性模量为411 MPa。采用8 节点的C3D8R单元，在划分网格时，沿木柱高度方向划分50个网格，环形截面划分120个网格。柱顶施加均布面荷载，边界条件类型为位移/转角，柱顶限制X、Y 方向位移、柱底限制了X、Y、Z 方向位移，两端均不约束转角的边界条件。通过分析获得胶合木柱轴心受压柱中纵向、横向应力-应变关系曲线，并与试验结果进行对比，结果如图7 所示，材料在弹性阶段理论值与试验值吻合程度较好，材料满足广义胡克定律。整体来说，有限元结果小于试验结果，这是由于有限元分析是一种理想分析，没有考虑材料本身的缺陷。

表2 试件受压性能的计算结果和试验结果†Table 2 The calculation and experimented results of the compressive properties of specimens

图7 试验值与有限元结果对比Fig.7 Comparison between experimental results and finite element results

如下图8 所示，沿柱高方向木柱顺纹和横纹应变分布均匀，其中由于两端附近应力集中，应变比柱中稍大。顺纹方向柱身应变为1.9×10-3，横纹方向为8.6×10-4左右，将数值分析结果与胶合木柱试验结果进行对比，结果比较吻合。从分析结果可知，木柱纵向每个侧面的应力分布均匀，顺纹应力大于横纹方向，柱顶面和底面的应力分布基本相同。

5 结论与讨论

通过3 根空心胶合木柱试件的轴心受压性能试验研究，可以得到以下结论：

1）利用粘结剂将小型锯材胶合，制作空心胶合木柱应用在实际工程中是可行的，满足工程使用需求。

2）相比原木柱，同等截面积下，空心胶合木柱直径增大37%，偏心受压性能得到提高，稳定性有所改善；空心胶合木柱与同截面积圆木柱比较，理论承载力提高了4.3%，试验得承载能力稳定系数为0.9，材料缺陷对轴心承载力有影响。受压过程中，纵向应变变化趋势基本相同，存在横向受压的情况。随着变形的增加，当荷载达到极限荷载80%左右时，承载能力快速下降，柱中侧向变形增大并出现局部压屈的现象，进而木柱失去承载能力，破坏形式为整体压屈破坏。侧向位移存在几个增长台阶，存在破坏征兆。

图8 空心胶合木柱应变云图Fig.8 Strain cloud picture of hollow glued wood column

3）通过建立有限元模型进行对比，试验结果与模型计算结果吻合度高，可用于预测空心胶合木柱的承载力、变形等。

4）胶合木柱的已有研究集中在矩形截面木柱轴心和偏心受压性能，探讨了长细比变化对承载力的影响，其制作相对简便但截面形式限制了偏心承载方向，且构件截面尺寸不大；本研究的木柱截面形式允许多方向偏心受压，轴心受压时稳定性更好，利用小型锯材制作构件尺寸限制少。本研究局限性在于试件数目较少，不同长细比对承载力的影响尚需进一步研究。