张弦及加载方式对预应力胶合木梁受弯性能的影响1)

左宏亮 宋鑫 郭楠 王子元

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



张弦及加载方式对预应力胶合木梁受弯性能的影响1)

左宏亮 宋鑫 郭楠 王子元

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

采用一点张弦一点加载、一点张弦两点加载、两点张弦一点加载、两点张弦两点加载等4种不同的张弦加载方式，对4组12根预应力胶合木梁进行受弯试验，分析4种不同张弦和加载方式对预应力胶合木梁受弯性能的影响。结果表明：在预加力数值一定的前提下，加载点相同时，改变张弦方式对胶合木梁的极限承载力影响不大；张弦点相同时，两点加载比一点加载胶合木梁的极限承载力提高28.8%～38.9%；只有两点张弦两点加载时，梁顶受压区出现褶皱、梁底发生延性受拉破坏，其余破坏形态均为梁底脆性受拉破坏；加载过程中，两点加载较一点加载梁刚度略有提高、可使木材的抗压强度发挥更为充分，提高木材与钢丝的利用率。

张弦加载；胶合木梁；弯曲性能

Using one point jacking and one point loading, one point jacking and two points loading, two points jacking and one point loading, two points jacking and two points loading with four different jacking and loading methods in bend test of four groups twelve prestressed glue-lumber beams, we measured the effects of the four different jacking and loading methods on the bending performance of prestressed glue-lumber beams. In the same pre-energizer preconditions with the same loading point, changing the way of jacking has little effect on ultimate bearing capacity of glue-lumber beams. The same jacking point, two loading points than one loading point the glue-lumber beams ultimate bearing capacity increased by about 28.8%-38.9%. Only when two points jacking and two points loading the top of the beam compression zone wrinkles and beam bottom occurs ductility tensile failure, the remaining failure modes are brittle beam bottom tensile failure. In the loading process, the two points loading than one point loading beam stiffness increased slightly, it also can make the timber compressive strength play more fully and improve the utilization rate of wood and steel wire.

由于胶合木结构能做到小材大用、劣材优用，并较钢筋混凝土结构更为绿色环保，适用于绿色建筑及绿色施工，符合可持续发展的战略，所以在世界各地得到广泛的应用[1-3]。普通的胶合木梁，存在抗压强度无法得到充分发挥，胶合木梁在破坏时多发生脆性破坏且变形较大等缺点[4]。对普通的胶合木梁施加预应力，可以减小胶合木梁的短期变形，并使胶合木梁由纯弯状态转化为压弯状态，以达到充分利用木材抗压强度的目的[5]。

目前，国内外研究者以及本项目组前期的研究中，对胶合木梁的变形性能[6-8]、预应力的施加方法[9-10]、预应力木梁抗弯承载力的计算方法[11-12]，以及预应力大小、预应力钢丝的数量对胶合木梁受弯性能的影响[13]等方面，已经进行了比较深入的研究；对胶合木的选材[14]、各种纤维材料增强胶合木梁受力性能[15-17]，也已进行了较为深入的研究。这些研究为本文提供了丰富的理论依据和试验参考。本文主要通过试验研究不同张弦及加载方式下预应力胶合木梁的受弯性能，旨在遴选张弦加载方式，进而实现梁的最优性能。

1 材料与方法

试验胶合木选用SPF(云杉-松木-冷杉)。根据现行规定的试验方法，分别对12组胶合木试件进行顺纹抗拉和抗压试验，试验均采用直径为7mm的低松弛1570级预应力钢丝作为预应力筋(见表1)。

表1 木材和钢丝主要性能指标

制作12根尺寸为3 150 mm×100 mm×100 mm的胶合木梁；层板厚度为20 mm，共5层胶合而成；跨距为3 000 mm，支座距梁端长度为75 mm。梁跨度沿着木材的顺纹方向，并采用丝扣拧张横向张拉装置对其施加预应力(见图1)。在胶合木梁的端部放置尺寸为130 mm×100 mm×15 mm的锚垫板，使预应力钢丝与胶合木梁通过锚垫板和墩头锚具结合在一起(见图2)。

(a)预应力胶合木梁示意 (b)1-1剖面

图1 预应力胶合木梁示意图(数据单位为mm)

(a)端部锚固装置示意 (b)1-1剖面 (c)2-2剖面

图2 端部锚固装置示意图(数据单位为mm)

将12根胶合木梁分成4组，每组包括相同的梁3根(见表2)。将预应力胶合木张弦梁编号为Lm-n(m为张弦点数量，n为加载数量)。

表2 试件分组

试验共有两种加载方式，一种是三分点对称两点加载方式，一种是跨中一点加载方式，均采用千斤顶进行分级加载。弹性加载阶段，以预估极限荷载的10%～20%循环加载5次；完成弹性加载后，以预估极限荷载的10%为梯度分级加载，加载至极限荷载的50%后，减小至极限荷载的5%为梯度分级加载，加载至梁失效[13]。每加载1次，持时3 min，观察试验现象，记录实验数据。

在支座和跨中共放置3个位移计(见图3)，应变及位移值均由DH3816N静态应力应变测试分析系统读取。

(a)两点加载时加载装置及测点布置;(b)一点加载时加载装置及测点布置。

2 结果与分析

2.1 破坏形态

采用4种不同的张弦和加载方式对预应力胶合木梁进行抗弯试验，破坏形态总结为4种：

①脆性受拉破坏(见图4)。加载过程中出现一声大响，在梁底近跨中位置发生受拉破坏，破坏突然，破坏前无明显征兆，梁顶受压区无褶皱。

图4 脆性受拉破坏

②劈裂破坏(见图5)。加载初期，三分点木节处首先开裂，加载至极限荷载时，木梁在三分点处折断，整个加载装置倾斜，卸载过程中由于钢丝的作用木梁变形逐渐恢复。

图5 劈裂破坏

③水平通缝破坏(见图6)。加载初期，梁底木节处首先发生开裂，由于木节开裂导致梁底层板间开裂，最终引起水平通缝破坏；破坏比较突然，属于脆性受拉破坏。

图6 水平通缝破坏

④延性受拉破坏(见图7)。加载过程中，梁中木节出现轻微开裂声，随着荷载加大，梁顶木纤维出现褶皱，同时伴有持续不断的内部木纤维被拉断的声响，梁截面产生较大的塑性变形，最后在纯弯段梁底受拉破坏；破坏前有明显预兆，属于延性受拉破坏。

图7 延性受拉破坏

2.2 极限荷载与荷载-挠度曲线

由表3可见：加载点相同时，一点张弦与两点张弦，梁极限承载力相近，这是由于张弦力较小且试验存在误差，其变化不明显；张弦点相同时，两点加载比一点加载梁极限承载力提高28.8%～38.9%。

由图8可见：在弹性加载阶段，4条曲线几乎重合，说明改变张弦和加载方式对梁刚度影响不大。但随着加载的进行，4条曲线斜率发生变化，两点加载较一点加载时梁刚度提高，这是因为一点加载时梁较早出现裂缝，使其刚度下降；由于张弦力较小，故改变张弦方式对其刚度影响不大。加载后期，L2-2出现刚度退化的现象，这是因为胶合木梁有塑性发展的趋势，而L1-2、L2-1、L1-1无刚度退化，说明其无塑性发展，这与表3列出的梁的破坏形态相符。

表3 各试验组梁极限荷载与破坏形态

注：L2-2(1)胶合木梁缺陷较大，极限荷载过低，故舍去。

图8 荷载-挠度曲线

2.3 荷载-应变曲线

由图9可见：在加载初期，各测点的应变值随荷载的增加基本呈现线性增长的趋势；加载后期，L2-2梁顶压应变随荷载增长的速度变慢，这是因为梁顶受压区产生褶皱，这与破坏形态也是相符的。其中：L2-2、L1-2有三层层板处于受压状态，L1-1、L2-1有两层层板处于受压状态。虽然木梁均未达到全截面受压状态，但两点加载时各层板的受力更为接近，即胶合木梁截面的受力更均匀，能够较好地发挥出木材的抗压性能，极大提高了木材的利用率。

由表4可见：4组梁最底层层板拉应变基本相同。两点加载比一点加载梁顶层层板压应变大、一点张弦比两点张弦梁最顶层层板压应变略有提高，说明两点加载较一点加载可使木材的抗压强度利用更为充分，而两点张弦与一点张弦则差别不大。4组梁破坏时，钢丝均处于弹性阶段，并且两点加载比一点加载时钢丝的利用率更高。

坐标轴左侧为受压区，右侧为受拉区；层板1为梁顶层板，层板5为梁底层板。

组别梁底拉应变/10-3梁顶压应变/10-3钢丝最大拉应变/10-3钢丝最大拉应力/MPaL1-13.29-3.672.2453.2L1-23.26-3.972.6535.6L2-13.31-3.501.8370.8L2-23.32-3.932.5515.0

2.4 截面应变曲线

取各级荷载稳定后截面不同高度处的应变数值，得到各级荷载作用下，梁中截面沿高度的应变曲线(见图10)。由图10可见：两点加载较一点加载中和轴位置下移，而一点张弦与两点张弦中和轴位置基本相同，并且随着荷载增加中和轴位置保持不变。说明两点加载较一点加载可使梁受压区面积增加，再一次证明了两点加载可使木材的抗压强度发挥更充分。

胶合木梁截面应变沿截面高度基本呈线性分布，其中L2-2在梁顶位置应变沿截面高度变化曲线斜率增大，这是因为木梁发生破坏时，梁顶应变片产生褶皱，但不影响曲线整体的线性走势，说明胶合木梁截面应变分布符合平截面假定。

2.5 理论分析

预应力钢丝通过端部锚固装置与胶合木梁结合在一起，形成一种钢木组合构件。在施加预应力阶段，张拉预应力钢丝保证预加力(Q)均为3.8 kN，通过螺杆对梁产生向上的反力(N)，在端部对梁产生压力(P)，由于存在偏心距(e)，压力(P)在端部对其产生弯矩M=Pe。假设一点张弦和两点张弦后，钢丝与胶合木之间的夹角分别为α和β，并忽略其自身重力，张弦后受力图见图11。由图11可见，一点张弦时，N1=2Qsinα，P1=Qcosα，端部弯矩M1=P1e=Qecosα；两点张弦时，N2=Qtanβ，P2=Q，端部弯矩M2=P2e=Qe。

忽略预应力钢丝在支座外侧产生的弯矩，并将一点张弦和两点张弦后的弯矩图与一点加载和两点加载后的弯矩图分别进行叠加，得到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2的弯矩图(见图12)。

由于张弦角度很小，可近似取α=β，cosα=cosβ=1。由图12可见，4种张弦加载方式下的最大弯矩关系为M2-1>M1-1>M2-2>M1-2。由此可见，当加载点相同时，一点张弦优于两点张弦，由于试验中张弦力较小，表现不明显；当张弦点相同时，两点加载优于一点加载，表现较明显。

图12中弯矩最大位置与试验中梁的破坏位置一致，其中一点张弦一点加载由于在跨中帖了钢板，其破坏位置在近跨中处。

图10 截面-应变曲线

图11 张弦后受力图

图12 叠加后弯矩图

3 结论

主要的破坏形态有梁顶起褶梁底受拉破坏、水平通缝破坏、三分点劈裂破坏、梁底脆性受拉破坏。第一种为延性破坏，后三种均为脆性破坏。其中只有两点张弦两点加载时木梁发生延性破坏，其余均为脆性破坏。

加载点相同时，两点张弦与一点张弦胶合木梁的极限承载力基本相同；张弦点相同时，两点加载比一点加载胶合木梁的极限承载力提高了28.8%～38.9%。两点加载优于一点加载。

加载点相同时，一点张弦较两点张弦时受压区木材的压应力略有提高；张弦点相同时，两点加载比一点加载时受压区木材的压应力提高较明显。

预应力胶合木梁中沿梁高截面应变随截面高度呈线性变化，符合平截面假定。并且随着荷载的增加，中和轴的位置保持不变。

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Jacking and loading; Glue-lumber beams; Bending performance

1)国家林业局林业科学技术研究项目(2014-04)；黑龙江省自然科学基金项目(E201402)。

左宏亮，男，1964年3月生，东北林业大学土木工程学院，教授。E-mail：zhl9163@163.com。

2016年9月25日。

S781.29

责任编辑：张 玉。