竹-原木组合梁受弯承载力试验与数值模拟

陈 强，郎健珂，王丽峰，王解军

（1.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000；2.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004；3.中交第四公路工程局，北京 100022）

随着经济的发展，人们对崇尚自然、注重健康、提倡环保的意识不断增强，木结构以节能减排、绿色环保的建筑理念而越来越受到人们的青睐。但松树、杉树等工程用木材生长周期需要几十年甚至上百年，人工速生林生长周期短但木质疏松，强度设计值和弹性模量均达不到规范要求，木材消耗量远大于自身产量[1]，导致价格昂贵。在此情况下，组合木结构应运而生，它既解决了单一木结构承载力低，防火防腐性差的问题，又能进一步减小截面尺寸，提高木材利用率的同时降低成本，使整体结构轻巧美观，对木结构体系的安全可靠性至关重要。与传统单一形式的木结构相比，组合木结构形式多样。近年来，国内外学者对组合木结构力学性能进行了探索。文献[2-4]对木-混组合结构进行了受弯性能试验和数值分析，该结构体系以木材为主要承重构件，木材除了承受自身重量还需承担上部混凝土传来的荷载，现阶段木结构强度低于混凝土，长期荷载作用下木-混组合结构稳定性难以保证。文献[5-8]利用钢材的抗拉性能，进行了钢-木组合结构的受弯性能和抗震性能研究，结果表明钢板增强后抗弯刚度和承载力有显著提升，该结构在工程中具有巨大潜力。为了降低钢材的利用率，提高环境综合质量，基于现代胶合工艺和加工技术研制出了胶合木结构和胶合竹结构，并对其进行了试验和理论分析[9-10]，可以应用在建筑、桥梁中，但是该结构粘结剂使用量大，且制造成本高，存在一定局限性。文献[11-15]利用木材和竹材的特性，将两者组合，对竹-木组合结构进行了探索，但仅研究了工字梁的力学性能，对于其他截面形式有待进一步研究。

因此，针对现有研究的不足，需对组合木结构进行改进，考虑到竹材的顺纹抗拉强度较高，强重比大于钢材，可以用竹材替代钢材改善木结构力学性能，本文提出了一种竹-原木组合梁，对其受弯性能展开研究，并根据研究结果给出相应结论和建议。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计了2组，原木梁和竹-原木组合梁各3根，规格为90 mm×135 mm×2 000 mm，编号分 别为A1～A3和B1～B3，其 中A1～A3为原木梁对比试件，B1～B3为竹-原木组合梁试件，A1和B1 试件原木受拉区有明显木节缺陷。为研究竹片对组合梁力学性能的影响，在木梁下表面粘贴1层厚度为5 mm的竹片。试件两端预留70 mm，支座间的实际跨度L为1 860 mm。试件具体参数见表1，bb为竹片厚度。

表1 试件参数表Table1 Details of test specimens

试验选用樟子松，通过试验测得其弹性模量 7 463.34 MPa，抗压强度30.68MPa。竹片采用湖南益阳桃花江竹业有限公司生产的竹集成材，规格为5 mm×90 mm×2 000 mm，试验测得弹性模量为11 759.39 MPa，抗拉强度107.77 MPa。

试验采用AB型环氧树脂胶，其钢-钢抗拉强度大于40 MPa，钢-钢抗剪强度大于18 MPa。首先将木梁与竹片接触面刨平，用酒精或丙酮清洗干净，采用双面涂胶的方式，以加压后胶液从接触面边缘被挤出一部分，固化后形成完整的胶线为宜。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℃左右养护5 d。

1.2 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，在梁跨中截面两侧分别沿高度布置5个应变片，编号分别为7#～11#，14#～18#，在梁L/4、L/2、3L/4 处顶面和底面分别布置2个应变片，编号分别为1#2#，3#4#，5#6#，12#13#，19#20#，21#22#，共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，每级荷载持荷时间5 min，试验加载装置见图1。

2 结果与分析

2.1 破坏形态

分析了6根试件的破坏形态，对比试件A1～A3为原木梁，A1 试件在荷载增至11 kN时，发出“吱吱”声，受拉区木节沿木纹方向出现裂缝，荷载增至18 kN时，裂缝沿45°方向开裂，当荷载增至24 kN的过程中，试件由于裂缝增大，横纹受拉引起纵向劈裂破坏。A2 试件在荷载增至40 kN时，发出“嘭”的一声，跨中底部受拉破坏。A3 试件在荷载增至22 kN时，受拉区木节出现裂缝，增至28 kN时，试件底部木节裂缝沿45°方向增大，在荷载增至34 kN的过程中发生劈裂破坏。

B1～B3为竹-原木组合梁，B1 试件在荷载增至32 kN时发出“吱吱”声，加载点处受压区出现裂缝，荷载增至44 kN时，纯弯区受拉边断裂，并伴随巨大声响，发生脆性破坏。B2 试件在荷载增至44 kN时跨中顶部受压区出现裂缝，增至50 kN时裂缝沿顺纹通缝发生剪切破坏。B3 试件在荷载增至46 kN时，跨中顶部受压区出现裂缝，并伴随“吱吱”声，增至48 kN时，跨中竹片断裂，试件受拉破坏。试件典型破坏形式如图2和图3所示。

图1 试验加载装置Fig.1 Test setup

图2 A组典型破坏形式Fig.2 Typical failure modes of group A

2.2 试验主要结果

表2给出了受弯性能试验的主要试验结果，包括极限荷载Pu，跨中挠度，抗弯刚度EI。表中，B组为分别与A组比较的平均值，但B3 破坏时的挠度超过L/40，故取破坏荷载的85%作为极限荷载。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为支点处试件的外伸长度，FΔ为荷载增量，eΔ为ΔF作用下梁所产生的中点位移，b为梁截面宽度。

图3 B组典型破坏形式Fig.3 Typical failure modes of group B

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，荷载-跨中挠度曲线如图7所示。

由表2和图4可知，在受力初期，竹-原木组合梁的荷载-挠度曲线斜率基本相近，呈线性变化，表明刚度基本相同，当荷载逐渐增加时，曲线斜率减小，进入弹塑性阶段；对比原木梁，竹-原木组合梁的斜率有所提高，说明竹片可以提高试件的刚度。受拉区有明显木节的竹-原木组合梁相比原木梁，受弯承载力提高了61.1%，刚度提高55.5%，跨中挠度提高了21.4%；受拉区无明显木节的竹-原木组合梁相比原木梁，受弯承载力提高了26.3%～28.9%，刚度提高33.9%～51.0%，跨中挠度提高了12.8%～38.4%，原木梁组与竹筋原木梁A组平均值抗弯承载力提高了38.8%，刚度提高43.3%，跨中挠度增加24.2%。

图4 荷载-跨中挠度曲线Fig.4 Load-displacement curves of mid-span

2.4 跨中截面沿高度应变变化情况

从A、B 两组中分别选取典型试件以验证平截面假定，试件跨中截面沿高度应变变化情况如图5所示。

由图5可知，原木梁和竹-原木组合梁跨中截面应变随荷载增加基本满足平截面假定。图中B组竹-原木组合梁的中和轴位置有所下移，受压区面积增大，承载力提高。随着荷载的增加，受压区边缘压应变接近极限应变时有减小的趋势，是因为试件到达弹塑性阶段，受压区变形产生褶皱造成的，这和试件破坏前先在受压区出现裂缝发生形变现象相吻合。

图5 跨中截面沿高度应变变化Fig.5 Strain profile at mid-span cross-section

2.5 数值模拟与分析

2.5.1 数值模拟

木材定义为正交各向异性材料，竹集成材简化为各向同性材料，通过ABAQUS 有限元分析得出了竹-原木组合梁的应力云图，如图6所示。竹-原木组合梁底部拉应力最大值为106.02 MPa，接近竹集成材的抗拉强度，构件顶部压应力最大为35.62 MPa，达到木材顺纹抗压强度，进入塑性阶段，与梁顶部出现压屈褶皱现象相符。

图6 竹-原木组合梁应力云图Fig.6 Thestresscloudofbamboo-logcompositebeam

通过试验结果得出，各个试件的破坏荷载均不超过60 kN，故模型施加载荷为60 kN，根据梁底或梁顶达到极限应力得到竹-木组合梁的极限荷载和挠度，通过ABAQUS 有限元分析得出竹-木组合梁受弯状态下的荷载-挠度曲线，并与试验值进行比较，如图7所示。

从图7可知，各构件弹性阶段曲线斜率吻合较好，进入弹塑性阶段后，试验梁曲线斜率降低。竹-原木组合梁极限承载力相比木梁提高37.36%，与试验38.8%结果相近。

2.5.2 基本假定

竹-原木组合梁受拉区拉应力由竹材和木材共同作用，由于两种材料弹性模量不同，为了验证竹-原木组合梁抗弯承载力，采用换算截面法，受弯承载力计算推导过程基本假定为：

1）竹-原木组合梁受弯变形后，沿截面高度应变分布基本符合平截面假定。

图7 荷载-挠度曲线对比Fig.7 Thecomparisonofload-displacementcurve

2）竹片为理想弹性体，原木为理想弹塑性体，不考虑竹片与原木之间的胶层厚度，两者粘结完好，无相对滑移。

组合梁的承载力计算，一般采用材料力学方法，对于竹材、原木两种材料组成的组合梁截面，应把它换算成原木单一材料的截面。由合力作用点位置及大小不变的换算原则，为了保持竹材截面的形心位置不变，竹材的有效宽度b可以换算成b′。

式（2）中，系数αEb为原木弹性模量与竹材弹性模量的比值。

2.5.3 受弯承载力计算

试件在加载过程中破坏形态基本为竹片受拉边破坏，梁顶部原木压应变小于极限压应变，图8为竹-原木组合梁截面计算简图。

图8 竹-原木组合梁截面计算Fig.8 Equivalent calculation diagram of bamboo-log composite beam

由内力和力矩的平衡条件可得：

式（3）和式（4）中，h为原木梁截面高度，ht为原木梁受拉区高度，hb为竹片厚度，b为梁截面宽度，b′为换算截面宽度，σc为原木梁顶部压应力，σt为原木梁底部拉应力，σb为竹片拉应力，d为梁截面塑性发展高度，Mu为竹-原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，δ为误差值，K为平均值，对于跨中受拉区有明显木节试件，结果取0.85的折减系数。

表3 受弯承载力理论值与试验值对比Table3 Comparison of theory value and test value of bending capacity

由表3可知，竹-原木组合梁受弯承载力计算值与试验值误差不超过5%，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。

3 结论与讨论

为了消除传统木结构承载力不足的问题，提高竹材和木材利用率，通过对3根原木梁和3根竹-原木组合梁的受弯性能对比试验，分析了组合梁试件的荷载-挠度特点、跨中截面沿高度应变变化情况以及荷载-应变关系。根据试验结果有以下结论：

1）竹-原木组合梁受弯试验破坏类型为脆性破坏，主要破坏形态为梁底部受拉破坏。试件破坏时裂缝主要从木材缺陷位置开始延伸，受拉区木节对受弯承载力有较大影响。

2）竹-原木组合梁对比原木梁，受弯承载力和刚度平均提高幅度分别为38.8%和43.3%；同时跨中极限挠度平均提高幅度为24.2%；木材缺陷对原木梁影响较大，对竹木梁影响较小，竹-原木组合梁力学性能优于木梁，两种类型的梁试件截面沿高度应变变化情况均符合平截面假定。

3）数值模拟与试验结果吻合较好，竹-原木组合梁极限承载力相比木梁提高37.36%与试验结果提高38.8%。

4）提出了竹-原木组合梁的受弯承载力计算公式，并与试验结果进行了对比，结果表明，理论值与试验值的平均误差不大于5%，符合工程要求。

相比文献[16]所采用的FRP 增强材料，采用的竹材更加绿色节能，竹-原木组合梁采用原生态绿色材料，力学性能良好，且性价比高，可装配化施工，将竹-原木组合梁应用于工程中，能够减少能耗，降低工程造价，为木结构应用提供了理论和试验支撑。但是试件数量少，对竹材厚度影响仍有待进一步研究。