王松巖，姜曉雯，王玉鐲，*，郭志鵬，曲爽

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東同筑工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

木結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱、綠色環(huán)保和抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，其價(jià)格低廉、可就地取材，自古以來(lái)就是建筑的主要材料。 但受環(huán)境破壞、資源匱乏等方面的影響，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展受到了很大地限制。近年來(lái)，我國(guó)植樹(shù)造林成績(jī)斐然，速生楊木儲(chǔ)量豐富，但由于其結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低、易變形等缺點(diǎn)很難直接用于木結(jié)構(gòu)建筑，因此在實(shí)際應(yīng)用中需將其加固或改性來(lái)提高木材的各項(xiàng)性能。

當(dāng)前，對(duì)木材改性與加固的試驗(yàn)研究與理論分析一直是國(guó)內(nèi)外深入研究的熱點(diǎn)。 PARK 等[1]研究了5 種木材制備的正交膠合木(Cross-Lapited Timber，CLT)材料，發(fā)現(xiàn)CLT 的強(qiáng)度、彈性模量和剪切性能均優(yōu)于傳統(tǒng)膠合木。 WANG 等[2]使用層疊木片膠合木(Laminated Strand Lumber，LSL)作為混合交叉層壓木材(Hybrid Cross Laminated Timber，HCLT)的外層或芯材，并測(cè)得其彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別比CLT 板提高了19%、13%和36%、24%。 劉端等[3]對(duì)兩種速生楊樹(shù)采用低分子有機(jī)樹(shù)脂浸漬熱壓的方法對(duì)其改性處理，表明改性后楊木的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均有較大的提高。 脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、純?nèi)樗岬途畚锖头尤┘谆逡渤Ｓ糜诨瘜W(xué)浸漬并取得了良好的效果[4-9]。 楊會(huì)峰等[10]通過(guò)在木梁底部和頂部粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fibre Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)加固木梁試驗(yàn)，得出其受彎承載力和剛度分別提高了18%～63%和32%～88%，同時(shí)避免了木梁的脆性破壞。玄武巖復(fù)合材料和玻璃纖維也已用于加固木結(jié)構(gòu)并取得了良好的效果[11-14]。 劉慶娟等[15]使用結(jié)構(gòu)膠粘貼不同厚度的木板制成改性試件，發(fā)現(xiàn)改性后試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別提高了3.02% ～53.63%和5.45%～34.02%。 周乾等[16]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer，CFRP)布加固榫卯節(jié)點(diǎn)后木構(gòu)架的抗震性能，試驗(yàn)表明CFRP 布加固榫卯節(jié)點(diǎn)后，構(gòu)架的側(cè)移剛度和承載力均有所提高了，構(gòu)架具有較好的變形能力，因此具有較好的加固效果。 綜上所述，目前對(duì)木材的研究主要集中在正交膠合木CLT 板、碳纖維布加固以及木材的膠合、化學(xué)試劑處理等方面。 因此，文章從鋼板增強(qiáng)膠合木的角度出發(fā)，對(duì)速生楊膠合木受壓試件進(jìn)行了鋼板增強(qiáng)試驗(yàn)，探討鋼板改性對(duì)試件受壓力學(xué)性能的影響，推進(jìn)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，為木結(jié)構(gòu)工程提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了26 個(gè)試件，由速生楊木板、結(jié)構(gòu)膠和鋼板粘合而成。 速生楊產(chǎn)自中國(guó)濟(jì)南，結(jié)構(gòu)膠由環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑組成，鋼板厚度分別采用3、5、8 mm 的 Q235 鋼。 木板厚度為 10 mm，涂抹的結(jié)構(gòu)膠厚度為1.6 mm。 各試件制作時(shí)，考慮了木板紋理、鋼板的不同排列位置和鋼板厚度(配鋼率)3 個(gè)影響因素，其參數(shù)見(jiàn)表1。 其中，試件的配鋼率為鋼板與試件的體積之比；改性試件的編號(hào)方式以SH3-(1-3)A 為例，各符號(hào)按順序分別為木紋順紋、木紋橫紋、鋼板的厚度和1、2、3 共3 個(gè)構(gòu)件以及鋼板木板具體組合方式，如表1 所示；鋼板位置M-N 表示粘貼在M 號(hào)木板和N 號(hào)木板之間的鋼板，如1-2 表示鋼板在1 號(hào)木板和2 號(hào)木板之間，從左到右分別為1～10 號(hào)木板。

表1 鋼板增強(qiáng)速生楊膠合木試件試驗(yàn)參數(shù)表

試件嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)制作[17-18]。 將木板和鋼板表面打磨干凈并涂抹結(jié)構(gòu)膠按照順序粘貼好，再將試件表面施加0.1 MPa 的壓力并養(yǎng)護(hù)固化48 h。 鋼板增強(qiáng)速生楊膠合木試件制作粘貼示意如圖1 所示。 其中，圖1(a)為原木試件、圖1(b)～(d)為不同紋理試件、圖1(e)和(f)為不同鋼板位置試件、圖1(g)和(h)為不同配鋼率試件。

圖1 鋼板增強(qiáng)速生楊膠合木試件制作粘貼示意圖

1.2 材料性能

1.2.1 含水率測(cè)定

根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]的要求，膠合木層板含水率應(yīng)為8%～15%，此時(shí)木材的力學(xué)性能最穩(wěn)定。 將10 塊尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的速生楊木立方體試件放在烤箱中烘烤8 h，分別在烘烤前、后稱(chēng)重。 根據(jù) GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》[20]測(cè)得木材的含水率分別為11.56%、11.96%、12.27%、12.53%、13.14%、12.73%、12.13%、12.40%、12.72%、12.43%，均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)膠的物理性能

試驗(yàn)所用的結(jié)構(gòu)膠由濟(jì)南慶達(dá)豐公司生產(chǎn)，分為A、B 兩組，制作構(gòu)件前，先將A、B 兩組膠按照要求混合并充分?jǐn)嚢杈鶆?，再涂抹到需要粘接的木材、鋼板表面?混合后結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為37.9、80.2、87.6 MPa，其受拉彈性模量為3 700 MPa、伸長(zhǎng)率為1.4%。

1.2.3 鋼板的物理性能

試驗(yàn)所用的鋼板為Q235 鋼，其屈服、抗拉強(qiáng)度分別為235、375 MPa。 裁剪成試驗(yàn)所需的尺寸，涂抹結(jié)構(gòu)膠前，將鋼板表面的銹跡打磨干凈后方可用于試件構(gòu)件的制作。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞狀態(tài)

試驗(yàn)采用WAW-1000C 型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以2 mm/min 軸向勻速加載。 試件的試驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)表2， 最終破壞狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 試件破壞狀態(tài)圖

表2 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞狀態(tài)表

由表2 和圖2 可知，試件破壞形態(tài)為木板首先出現(xiàn)開(kāi)裂，裂縫沿水平向和斜向發(fā)展，而后鋼板與木板連接處出現(xiàn)裂縫，鋼板屈曲喪失承載力，試件破壞。 對(duì)于不同紋理的試件，鋼板開(kāi)始屈曲的時(shí)間也不相同。 當(dāng)試件木板為順向紋理時(shí)，可以充分發(fā)揮木材的強(qiáng)度，承載力較高。 對(duì)于不同鋼板排列位置的試件，其中布置的鋼板發(fā)生屈曲的時(shí)間也不同。 當(dāng)試件的組合為B 方式，即鋼板排列在1-2/5-6/9-10時(shí)，鋼板最早開(kāi)始屈曲。 此時(shí)，最外層的木板隨鋼板向外彎曲，隨著荷載的增大，試件的板與板之間形成貫穿通縫，試件整體性下降，承載力降低。 隨著配鋼率的增加，試件中布置的鋼板發(fā)生屈曲的時(shí)間推遲。因此，提高配鋼率可以提高改性試件的承載力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同紋理試件力學(xué)性能分析

不同紋理試件試驗(yàn)后的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3，平均抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖3所示。

表3 不同紋理試件力學(xué)性能參數(shù)表

圖3 不同紋理試件的抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模量柱狀圖

由圖3(a)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、SH3-A 和 H3-A 的抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、73.03%和 70.53%。 S3-A 的抗壓強(qiáng)度比SH3-A 提高了8.9%，而比 H3-A 提高了10.47%。當(dāng)試件的木板為順向紋理時(shí)，承載力較高。

由圖3(b)可知，試件 S3-A、SH3-A 和 H3-A的軸向變形幾乎相同，比原木試件 Y100 提高了41.90%。 因此，板材的紋理對(duì)改性試件的軸向變形基本沒(méi)有影響。

從圖3(c)可知，與原木試件Y100 相比，彈性模量顯著提高，試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的彈性模量分別提高了169.75%、171.25%和172.81%。 試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的彈性模量相差較小，說(shuō)明其受紋理影響較小。

3.2 不同鋼板布置位置試件力學(xué)性能分析

不同鋼板布置位置試件試驗(yàn)后的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表4，構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖4 所示。

圖4 不同鋼板布置位置試件的抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模量柱狀圖

表4 不同鋼板布置位置試件力學(xué)性能參數(shù)表

由圖4(a)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、65.28%和70.71%。 顯然，鋼板布置位置對(duì)改性試件抗壓強(qiáng)度有顯著影響。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼板的最佳布置為A 組合方式。

由圖4(b)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的軸向變形分別增加了41.90%、33.52%和45.81%，當(dāng)鋼板布置在試件邊緣附近時(shí)，即鋼板布置位置為1-2/5-6/9-10 時(shí)，增強(qiáng)了對(duì)木板的側(cè)向約束，因此軸向變形最小。

由圖4(c)可知，與原木試件Y100 相比，試件S3-A、S3-B 和 S3-C 的彈性模量分別提高了169.75%、221.52%和150.47%。 當(dāng)鋼板位置從試件中部向邊緣排列時(shí)，與S3-C 相比，S3-A 和S3-B 的彈性模量逐漸增大。

3.3 不同配鋼率試件力學(xué)性能分析

不同配鋼率試件試驗(yàn)后的力性能學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。 平均抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模量柱狀圖如圖5 所示，不同配鋼率試件抗壓強(qiáng)度、變形量擬合曲線如圖6 所示。

圖5 不同配鋼率試件的抗壓強(qiáng)度、軸向變形和彈性模柱狀圖

圖6 不同配鋼率試件抗壓強(qiáng)度、變形量擬合曲線圖

表5 不同配鋼率試件力性能學(xué)參數(shù)表

由表5 和圖5(a)可知，與原木試件Y100 相比，配置3 mm(S3-A)、5 mm(S5-A)和8 mm(S8-A)厚鋼板試件的抗壓強(qiáng)度明顯提高，抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、93.08%和118.35%；彈性模量分別提高了169.75%、207.31%和198.83%，而軸向變形分別提高了41.90%、48.60%和53.63%。

對(duì)不同配鋼率試件的抗壓強(qiáng)度、變形量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，得到的抗壓強(qiáng)度、變形量計(jì)算公式由式(1)和(2)表示為

式中ym為鋼板增強(qiáng)試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，MPa；x 為改性試件配鋼率，%；f0為速生楊原木抗壓強(qiáng)度，MPa；um為鋼板增強(qiáng)試件實(shí)測(cè)變形量，mm；ε0為速生楊原木變形量，mm。

3.4 理論分析

改性后的試件為鋼木復(fù)合材料，由木板、鋼板和結(jié)構(gòu)膠3 種材料組成。 根據(jù)上述試件的試驗(yàn)現(xiàn)象分析，鋼板為失穩(wěn)破壞、木板為強(qiáng)度破壞。 試件的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料的力學(xué)性能見(jiàn)表6。 根據(jù)表5 中的抗壓強(qiáng)度和表6 中的材料參數(shù)聯(lián)立得出的方程組由式(3)表示為

表6 不同試件參數(shù)表

式中α1為木材抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)；α2、α3分別為鋼板和結(jié)構(gòu)膠抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)。 根據(jù)式(3)求得α1、α2、α3分別為 1.980、0.500 和 0.007。

鋼板是失穩(wěn)破壞，因此參考鋼結(jié)構(gòu)的軸壓穩(wěn)定 計(jì)算公式N/φA≤f，其中N 為極限承載力，kN；φ 為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；A 為受壓截面面積，mm2；f 為鋼材抗壓強(qiáng)度，MPa。 當(dāng)鋼板穩(wěn)定應(yīng)力超過(guò)鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)，發(fā)生屈曲。 由于鋼板承受壓力，把鋼板類(lèi)比成兩端簡(jiǎn)支軸壓桿集合，如圖7 所示，其中F 為載荷。 由于木板與鋼板共同作用，鋼板的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)考慮木板對(duì)鋼板約束的影響。

圖7 兩端簡(jiǎn)支軸壓桿集合圖

將鋼板類(lèi)比成壓桿，因此引入鋼結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，由式(4)和(5)[21]表示為

式中fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，MPa；E 為鋼材的彈性模量，MPa；λ 為長(zhǎng)細(xì)比；λn為正則化長(zhǎng)細(xì)比；φ 為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。

將3 mm 厚鋼板的長(zhǎng)細(xì)比(λ ＝高度/回轉(zhuǎn)半徑＝115.47)代入式(4)和(5)，查規(guī)范可知，穩(wěn)定系數(shù)φ為0.46，與α2相差0.8%，由于鋼材的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木材，木材對(duì)鋼板的側(cè)向約束影響較小，而鋼材的側(cè)向約束對(duì)木板的影響較大。 沿木板、鋼板排列的水平方向，橫向約束對(duì)鋼板的穩(wěn)定性影響不大。 因此，鋼板的不同排列位置引起的α2的變化值可以忽略不計(jì)。

但是，由于鋼板的布置位置不同，橫向約束也不同。 因此，α1隨鋼板排列位置的不同而變化。 鋼板配置在1-2/5-6/8-9 和3-4/5-6/7-8 位置時(shí)滿(mǎn)足的公式由式(6)和(7)分別表示為

將式(3)求得的 α2＝0.500 和 α3＝0.007 帶入式(6)和(7)分別求得鋼板在1-2/5-6/9-10 時(shí)的α1為 1.69，在 3-4/5-6/7-8 時(shí)的 α1為 1.76。

綜上，鋼板增強(qiáng)速生楊木試件抗壓強(qiáng)度由式(8)表示為

式中α1隨鋼板的布置位置而變化，鋼板在1 -2/5 -6/9 - 10、2 - 3/5 - 6/8 - 9、3 - 4/5 - 6/7 - 8 時(shí)，α1分別為1.69、1.98、1.76；β1、β2、β3分別為試件的木板比例、鋼板比例和結(jié)構(gòu)膠比例；f1、f2、f3分別為木材、鋼材和結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度，MPa。

4 結(jié)論

通過(guò)鋼板增強(qiáng)速生楊膠合木試件的軸心受壓試驗(yàn)，主要得到了以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)紋理組合方式不同時(shí)，與速生楊原木試件相比，試件S3-A、SH3-A 和H3-A 的抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、73.03%和70.53%。 當(dāng)配鋼率及鋼板布置位置相同時(shí)，改變木材紋理組合方式，對(duì)試樣的軸向變形和彈性模量基本沒(méi)有影響。

(2) 當(dāng)鋼板布置位置不同時(shí)，與速生楊原木試件相比，試件S3-A、S3-B 和S3-C 的抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、65.28%和70.71%。 鋼板的最佳布置位置為2-3/5-6/8-9 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高；當(dāng)鋼板的布置位置為1-2/5-6/9-10 時(shí)，軸向變形最?。划?dāng)鋼板位置從試件中部向邊緣排列時(shí)，彈性模量逐漸增大。

(3) 當(dāng)配鋼率不同時(shí)，與速生楊原木試件相比，配置3 mm(S3-A)、5 mm(S5-A)和8 mm(S8-A)厚度的鋼板試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了88.39%、93.08%和118.35%。 在相同的紋理組合和鋼板位置布置的方式下，隨鋼板厚度的增大，試件抗壓強(qiáng)度隨之增大，試樣軸向變形量和彈性模量均有所提高。

(4) 通過(guò)數(shù)據(jù)擬合和理論分析得到了鋼板增強(qiáng)速生楊膠合木的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式。