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1、 胶合竹木工字梁受弯性能的试验研究 陈国+张齐生+黄东升+李海涛摘要：提出了一种以OSB为腹板骨架，OSB板外用环氧树脂胶黏剂和钉子连接竹集成材而成的胶合竹木工字梁.以竹木工字梁的腹板高度、剪跨比及加劲肋为参数，对24根竹木工字梁的结构性能进行研究.分析了工字梁试验全程的破坏形态和破坏机理，探讨了其极限承载力、延性和抗弯刚度等，并研究影响其结构性能的因素.研究结果表明，竹木工字梁整体工作性能优良，跨中截面应变沿梁高方向仍基本符合平截面假定，其极限承载力与截面高度、剪跨比和加劲肋有关.当剪跨比小于2.0时，组合梁出现了明显的剪压破坏特征，剪跨比越大，极限承载力呈显著下降趋势.加劲肋能显著提高工字
2、梁的极限承载力，提高幅度为3.4%38.0%，对极限位移的提高幅度约为1.7%12.6%.加劲肋增强后的工字梁的初始抗弯刚度亦有大幅提高，提高幅度为10%30%，腹板越高，增幅越大.关键词：欧松板;竹集成材;工字梁;破坏机理;抗弯性能：TU366.1 ：ABending Tests of OSB Webbed Bamboo IJoistCHEN Guo， ZHANG Qisheng， HUANG Dongsheng， LI Haitao（College of Civil Engineering， Nanjing Forestry Univ， Nanjing， Jiangsu210037， Ch
3、ina）Abstract：A OSB webbed bamboo Ishaped joist connected and fixed by epoxy resin adhesive and nails was presented. The web height， shear span ratio and web stiffener were included as control parameters to see their effect on the flexural performance of 24 OSB webbed bamboo joists. The failure proce
4、ss， failure mechanism， deformation and carrying capacity were investigated and the shear capacities were also discussed. The results show that the composite joists show excellent combination performance， higher stiffness and strength. Also， the shear capacity of this joist has a close relationship w
5、ith the shear span ratio and web height. When the shear span ration is less than or equal to 2.0， the failure modes were characterized by shear compression failure of the OSB web panels. The web stiffeners can markedly improve the ultimate load of the joists by 3.4%38.0%， and is helpful to ultimate
6、displacement and initial flexural stiffness by 1.7%12.6% and 10%30%， respectively. The web is higher and the growth is greater.Key words：OSB（Oriented Strand Board）;gluelaminated bamboo;Ijoist;failure mechanism;bending behavior2013年以来，中国北方多地出现不同程度的雾霾天气，空气污染十分严重.建筑既是人类活动的基本场所，也是大量消耗能源、资源的重要环节，对雾霾天的贡献十
7、分显著.传统类型的钢筋混凝土结构和砌体结构存在着资源利用率低和环境污染严重等问题，而竹木结构建筑由于轻质高强以及环境负荷小等优点1-3，具有广阔的应用前景.将竹材、速生木材等生物质材料作为主要建筑材料应用于工程领域无疑有利于减少对钢材和水泥等重污染产品的依赖.近年来，随着全球森林资源蓄积量的增加，部分学者开始对木梁和竹梁的力学性能进行了大量有益的探索.作为木结构建筑的主要受荷构件，木工字梁的承载能力和变形性能直接关系着整个结构的安全性.ASTM D103712对木工字梁的腹板材料选用和等级划分作了详细规定，指出大片刨花板和定向刨花板是消费比最高的腹板材料.许清风等4、Zhu等5、熊海贝等6均进
8、行了木工字梁的试验研究，结果表明，腹板的物理力学性能对于工字梁的力学性能和变形能力有着至关重要的影响，其中以OSB板为腹板的木梁承载能力最大.然而，一旦OSB腹板发生剪切破坏，裂缝从腹板迅速扩展至木翼缘，翼缘发生脆性断裂，最终导致木工字梁断成两截.相比木材而言，胶合竹材具有更好的物理和力学性能，具有作为建筑结构用材的条件7.文献8-14对竹梁进行了大量的试验研究，竹梁破坏时变形过大，由刚度所控制，强度利用率低;提出以竹大片刨花板为腹板的竹工字梁，但也同时存在初始抗弯刚度偏低的问题.针对木工字梁承载力不足而竹梁初始抗弯刚度低的工程问题，本文提出一种新型的轻质竹木工字梁构件，以OSB为腹板材料，竹
9、集成材为翼缘，腹板与翼缘表面间用耐候结构胶粘结而成，然后对胶合竹木工字梁的抗弯性能和变形能力等特性进行了试验研究，并根据研究结果提出相应的结论和建议. 1试件设计腹板材料选用厚度tw=9.5 mm加拿大Tolko牌OSB板（译为：欧松板），公称幅面为1 220 mm2440 mm，实测平均静曲强度为25.1 MPa，平均弹性模量为3 560 MPa，平均含水率为4.7%，密度为610 kg/m3.翼缘采用东莞桃花江竹业公司生产的竹集成材，竹龄46年，竹种为毛竹.集成材规格有2种，分别为25 mm35 mm2 440 mm和30 mm35 mm2 440 mm，材性试验测得其静曲强度为61.2
10、MPa，弹性模量为 10 210 MPa，密度为880 kg/m3，含水率为10.3%.本次试验采用由盐城壹加壹电子材料有限公司生产的YY5016型室温固化环氧树脂胶粘剂，其钢钢剪切强度大于22 MPa，适合温度为-45+95 ，初步固化时间为35 h，完全固化时间为2448 h，固化时间取决于粘胶温度.首先将竹集成材方料和OSB板分别裁切成相应的规格;用砂纸将板材粘胶接触面打磨粗糙，再以酒精清洗板材表面的灰尘和油脂，最后用盐城壹加壹电子材料有限公司生产的YY5016A/B型环氧树脂胶将OSB板和上、下竹集成材翼缘胶结成整体，涂胶量为250 g/m2，涂胶量的主要依据为厂家产品说明书的建议用量
11、.以木工夹具临时固定，以防腹板和翼缘在胶合过程中发生错动.最后，用2.8 mm40 mm钉子从翼缘侧面钉入，将翼缘和腹板连接为整体，钉间距为100 mm，每根工字梁需64枚钉子.为避免板材凹陷处局部缺胶，将制作好的组合梁平放于地面，再以重物均匀加压.加压时间取决于实验室的温度，温度越高，胶凝固越快，制作本试件时实验室的温度为14 左右，重物加压96 h，养护时间为15 d.2试验概况试验设计了24根OSB为腹板的竹质工字梁试件，根据加劲肋和梁高不同分为4组，每组有6个试件，编号分别为24I124I12和30I130I12.其中，24I124I6和30I130I6分别为梁高240 mm和300
12、mm的无加劲肋对比试件.为研究加劲肋对组合梁力学性能的影响，在试件编号为24I724I12和30I730I12的加载点和支座处腹板处成对设置截面尺寸为25 mm35 mm的竹集成材加劲肋，加劲肋的高度分别为160 mm和230 mm，加劲肋紧靠承受集中压力一侧的翼缘，加劲肋另一端与翼缘预留23 cm的间隙.试件全长为2.44 m，梁两端各预留220 mm，支座间实际跨度L为2.0 m.试件具体参数见表1.竹木工字梁的制作加工及相关试验在南京林业大学结构工程实验室完成.为详细记录试验全程试件的竖向变形情况和应变分布规律，在两端支座顶、加载点下方及跨中共布置5个激光位移计，并在梁跨中截面沿高度等距
13、粘贴5个应变片，从下至上，应变片编号依次标记为2#6#，同时在梁底、梁顶各贴1个应变片，编号分别为1#和7#.所有的量测数据统一由TDS530静态数据系统采集，采样频率为1 Hz.整个试验程序参照GB/T 50329-2012木结构试验方法标准.竖向荷载经由连接于作动器的分配梁传递至试件，为消除系统误差并确保仪器设备工作正常，在正式加载前需对试件进行预加载（图1）.加载方式为四点加载，在加载点和支座处放置钢板以防翼缘局部压坏.试验全程采用位移控制的方式进行加载，加载速率为1.02.0 mm/min，持荷时间为615 min.3主要试验结果及分析3.1破坏特征3.1.1梁高为240 mm组对比试
14、件24I124I6为无加劲肋工字梁，荷载增加至30%50%极限荷载时，开始发生侧向扭转，可听到轻微的“嗞嗞”响声，表明局部木纤维损伤产生的断裂声，但OSB表面无可视裂缝.加载至60%极限荷载时，支座附近腹板的木纤维开始出现拉断的劈裂声，刚度有所降低，变形渐趋明显，随后分配梁加载点下所在区域的受压区发生局部失稳，持续加载至试件的极限荷载，加载点与支座间的腹板应变达到材料极限应变而剪坏，腹板裂缝开展方向与下翼缘呈45.与此同时，翼缘内OSB板剪应变也达到OSB的内结合极限应变而开裂，伴随着巨大响声，试件上翼缘内OSB产生层裂并快速沿梁纵向发展，部分钉子被拔出或剪断，表现为脆性的破坏特征，破坏具有突
15、然性.剪跨比越大，试件无支撑长度越大，越容易发生失稳，从而极限承载力越低.卸载后，变形部分回弹，但仍保持部分残余变形（图2（a），（b），（c）.24I724I12为加载点及支座处带加劲肋的组合梁试件.其中，24I724I10试件的剪跨比2.0，组合梁表现出明显的剪压破坏特征，组合梁的极限承载力随着剪跨比的增大而减小，加载点与支座间腹板发生剪切破坏.而对于剪跨比2.0的24I11和24I12试件，加载初期时的试件基本处于弹性阶段，随着荷载的增加，试件开始发生侧向扭转变形并渐趋明显，翼缘内产生少许微裂缝（翼缘内OSB层裂或胶裂），并伴随刺耳的劈裂声.当竖向荷载值接近极限荷载值时，OSB劈裂声开始
16、变得持续且逐渐加大，裂缝沿梁纵向快速发展形成通缝，钉子部分被拔出或剪断，破坏过程在瞬间完成，试件有明显的挠度变形，加载点处翼缘下方的腹板被拉坏.不难发现，横向加劲肋可显著提高组合梁局部抗剪承载力并改善变形性能（图2（d），（e），（f）.3.1.2梁高为300 mm组相对于梁高为240 mm无加劲肋的试件而言，编号为30I130I5试件拥有更大的高宽比，因而更容易发生侧向失稳.当竖向荷载增加至45%的极限承载力时，试件开始发生轻微的扭转.当竖向荷载加载至60%80%极限荷载时，可观察到较明显的侧向扭转变形，并伴随着刺耳的OSB层裂声音，翼缘内的OSB层裂处有少量的木屑从裂口处脱落.当加载至极限荷载时，OSB层裂快速沿梁长方向扩展，试件竖向变形大约为610 mm，试件最终丧失承载力.对于剪跨比2.0（即30I630I12）的试件，剪跨比越大，试件达极限承载
