铝-木组合梁抗弯性能研究

邢 新 岑培山

（郑州升达经贸管理学院建筑工程学院，河南 郑州 451191）

目前，我国的建筑大多为钢结构或钢筋混凝土结构，而钢筋及混凝土均为高耗能材料，其对于环境存在着很大危害，而且建筑垃圾对大气、水源、土壤等均存在较大的危害。2020年9月，我国明确提出了“碳中和”“碳达峰”目标，“绿色建筑”“绿色建材”的课题也得到更加广泛的研究发展，一些环保节能的建筑材料被广泛推广，许多省份还出台了一些装配式结构的相关推行政策。而铝材可与木材组合作为一种节能、低碳、环保的新型结构形式。

木材是一种天然可再生能源，而且木结构建筑在施工过程可减少对环境的危害，是一种绿色环保且抗震能力良好的结构形式。铝合金具有高强、抗震能力好的优点，而且相对于一般的钢材，铝合金具有较好的耐腐蚀性，自重轻，可塑性好，抗弯刚度更好。两种材料组合可以取长补短，更好地发挥其作用，木材的侧向支撑作用可以很好防止铝板由于侧向刚度不足而过早出现屈曲现象，铝板可以弥补木材强度低、脆性破坏的缺点。

对于钢-木组合梁，国内外学者进行了较多的研究。Jasienko等[1]、李登辉[2]、钱哲等[3]、廖静[4]和张也等[5]对钢-木组合梁的抗弯性能及发展前景进行了研究，结果表明：钢有效地提高了木梁承载能力，钢-木组合梁的发展应用前景良好。刘慧[6]、张聪[7]对铝-OSB板组合梁抗弯性能进行了研究，研究表明：用铝-木组合梁替代钢-木组合梁是可行的，铝合金板和OSB板可以更好地发挥各自的优点，二者组合能够很好地协同工作。

目前对钢-木组合构件的研究更多是以普通钢材与木梁的组合构件为对象，而对于铝-木组合的研究则较为缺乏。本文以是否使用铝合金板加固及铝合金板加固位置为变量，对所制作的试件进行加载试验和理论计算，分析其受力性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共设置了3个试件，其中试件L1为纯木梁，试件L2为铝合金板底部加固的组合梁，试件L3为铝合金板侧面加固的组合梁。铝合金板与木梁之间的连接一般采用粘钢结构胶粘贴或者螺钉固定的方法[7]。本试验中组合梁试件采用粘钢结构胶粘贴的方法。试件尺寸设计详见表1，试件横截面尺寸见图1。

表1 试件尺寸参数

图1 试件截面构造及尺寸

本次试验中铝合金板与木梁的粘贴选用改性环氧树脂粘钢胶进行粘贴。粘贴前将胶水A和胶水B按照3∶1的配合比倒入指定容器中并搅拌均匀，然后将拌制均匀的粘钢胶涂刷在木梁表面，涂抹厚度一般在2mm左右。涂抹时要注意涂抹均匀，以免试验时因粘贴不牢固而开裂从而影响试验结果。粘贴后要及时对组合梁施加压力，促使铝合金板与木梁粘贴更加牢固，如图2所示。涂胶粘贴时，应在环境温度为25℃左右时进行，温度较低时应采取保温措施[8]。

图2 铝-木组合梁施压加固

1.2 材料性能

铝合金板使用5083型铝材，通过材性试验，测得弹性模量7.26×104MPa。木梁使用松木，木材材性由制作三个300mm×60mm×60mm的试件经过测试获得，弹性模量1.44×104MPa。

1.3 试验方案

本次试验选用分级加载的方法，每级加荷增量为1kN，采用三分点加载，待加载至最大挠度24mm（即跨度的五十分之一）时停止加载。支座距离试件边缘均为100mm，两支座之间的间距为1200mm。加载装置如图3所示。

图3 加载装置

本试验所选用的应变片尺寸为6mm×108mm。L1、L2梁的应变片粘贴在木梁跨中两侧面且距离木梁边缘3mm的位置处，L3梁的应变片粘贴在用铝合金板加固的一侧的跨中距离木梁边缘3mm处，每个侧面粘贴两个应变片，同时在3个试件的上下两面未加固铝合金板一侧的跨中位置均粘贴应变片。同时将位移计布置在梁的跨中处，用以量测梁受荷后的挠度值。

2 试验结果分析

图4为3个试件在相同条件下全过程加载的荷载-挠度曲线图。通过分析图4可知，相对于纯木梁，铝合金板加固的组合梁的承载力明显优于纯木梁试件，组合梁的抗弯性能有着明显的增强，其中试件L2的曲线斜率大于试件L3的曲线斜率，由此可见铝合金板底部加固的效果优于侧面加固的效果。

图4荷载-挠度曲线

当挠度值相同时，由表2可知，3个试件的挠度均达到24mm时，纯木梁试件L1承受的最大荷载值为8.99kN，使用铝合金板底部加固的试件L2承受的荷载值为17.00kN，铝合金板侧面加固的试件L3承受的最大荷载值为10.98kN。试件L3较试件L1的承载能力提高了22.14%，试件L2较纯木梁试件的承载能力提高了89.10%，试件L2较试件L3的承载能力提高了56.11%。

表2 试件挠度-荷载汇总表

文献[10]与文献[11]中规定梁的跨中挠度δ≤l/250，本试验中试件的跨度均为1200mm，故δ≤4.8mm。当挠度值达到4.8mm，试件L1所承受的荷载为2.72kN，试件L2所承受的荷载为4.25kN，试件L3的承载力为3.06kN。试件L2较试件L1所承受的荷载值增高了56.25%，试件L3相对于试件L1承载力提高了12.5%，试件L2较试件L3承载力提高了38.89%。

3 理论计算

本文中铝-木组合梁抗弯性能的计算参照钢管混凝土组合结构的计算方法，选用承载力叠加法进行计算。

3.1 刚度计算

式中EI-铝-木组合梁刚度；

ElIl-铝合金板的刚度；

EmIm-木材的刚度。

铝-木组合梁刚度按照上式计算，经过计算得到试件L2的刚度为6.46×1010N·mm2，试件L3的刚度为

4.92×1010N·mm2。

3.2 承载力计算

本文中挠度计算公式按照简支梁跨中挠度计算公式进行计算，并引入βw（铝-木组合梁变形协调系数），取βw=1.2[6]。

根据文献[10]与文献[11]计算得试件跨中挠度容许值为4.8mm。通过上式计算容许挠度对应的理论载荷值，并与试验值进行对比，计算值详见表3。

表3荷载计算值与试验值对比表

为了验证上述计算公式的可行性，引入文献[7]中的试验结果与依据上式所得到的计算结果进行比较。

从表3和表4可以看出，荷载计算值与试验值的误差均不超过8%。由图5可以更加直观地看出，计算值与试验值紧密的分布在y=x的两侧，充分表明了上述公式的可行性。

表4荷载试验值[6]与计算值对比表

图5 荷载计算值与试验值

4 结语

（1）使用铝合金板加固木梁可以显著增强木梁的抗弯性能，而且在木梁底部加固铝合金板的效果比侧面加固更好。

（2）本文引入铝-木组合梁协调变形系数，理论计算值与试验值基本吻合，理论计算公式具有一定的可行性，可以为相关研究提供参考。