木混凝土抗弯试验研究.docx

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木混凝土抗弯试验研究

胶合木—混凝土组合梁弯曲和剪切试验研究

摘要：

本文在阅读中内外参考文献超30篇的基础上，总结了国内外对不同的胶合木-混凝土组合梁剪切试验和抗弯试验最新研究成果，对这些试验数据进行分析，抗弯试验结果表明作为底托的木梁主要承受拉力、处在上方的混凝土板主要承受压力。

裂缝最先出现在加载点附近混凝土板的底部，之后木材开始了受拉破坏。

剪切试验结果表明在剪力的作用下木梁和混凝土板的交界面处会产生滑移效应，影响胶合木-混凝土组合梁的组合效应，且剪力连接件越刚，组合效应越好。

关键词：

胶合木；混凝土；组合梁；连接件；弯曲试验；剪切试验；试验数据

中图分类号：

TU318文献标志码：

A

SHEARANDBENDINGEXPERIMENTAISTUDYONGLUEDTIMBER-CONCRETECOMPOSITEBEAMS

Abstract:

Basedonover30literaturereferences，thispapersummarizesthelatestresearchresultsofsheartestsandbendingtestsofdifferentkindsofglulam-concretecompositebeamsduringtheworld.Afteranalysingtheseexperimentaldata，theresultsofbendingtestsindicatethatthegluedtimbermainlyresiststotension，whichisatthebottomofthecompositebeans，whiletheconcretetoppingmainlyresiststocompression.Thecracksfirstappearedatthebottomoftheconcreteplateneartheloadingpoint，andthenthetimberbegantensilefailure.Theresultsofsheartestsindicatethattheinterfacebetweentimberandconcretecanproduceslipeffectduetoshearfroce，whichhaveimpactoncompositeeffect，andshearconnectorsaremorerigid，thecompositeeffectisbetter.

Keywords:

gluedtimber;concrete;compositebeam;connector;bendingtest;sheartest;experimentaldata

1引言

原木结构房屋具有环保、绿色、生态等特点，是理想的居住环境，但随着钢筋、混凝土等建筑材料的发展，且自上世纪初开始，森林资源正在不断地萎缩和消亡，这已经对人类的生存构成了威胁。

缓解这一危机的有效途径之一便是使木材资源通过最优化的组合取得木材得以高效的利用[1]。

1.1现代胶合木的发展

胶合木是以原木为主要原材料，采用高性能的环保型胶粘剂，利用现代木材加工技术制成的复合木材[2]。

但是工程木不受原木尺寸的影响，且具有比原木更加明显的优势，总结有以下的两点:

⑴横截面尺寸不受限值，用途广泛；

⑵材质均匀、含水率均匀、内应力小，不易开裂和变形，尺寸稳定性好，大断面的胶合木还具有良好的阻燃性能[3]；

常用做主要的结构用胶合木树种包括花旗松、落叶松、云杉、松木、南方松、黄杨、辐射松、挪威云杉、日本扁柏等[3]。

工程木主要材料种类有：

层板胶合木（Glulam）、旋切板胶合木（LVL）、平行木

片胶合木（PSL）、层叠木片胶合木（LSL）、定向木片板（OSB）以及工形格栅（Joist）等,见图1。

其中因为旋切木的具有轻质高强、力学性能稳定、出材率高、规格尺寸灵活等优点，工程上应用范围最广[4]。

图1常用工程木种类

Fig.1commonengineeringwoodspecies

因为胶合木较原木结构的可用性高、成本低，意大利和澳洲等欧美国家对其进行了大量的研究，并衍生出一系列的改性工程木和改性胶黏剂，如利用金属材料和纤维（包括钢筋、钢绞线、钢板或铝板、FRB等）来增强胶合木[5]。

促进了工程木在建筑结构的应用（如图2所示）。

图2纯木结构中的胶合木梁

Fig.2gluedbeamofpuretimberstructure

但是由于木材本身抗拉力、不抗压力、不抗火、各向异性、干湿性明显等缺点，纯的胶合木结构同原木结构一样只限在低层、短跨的住宅建筑中使用。

1.2木—混凝土组合系统（TCC）的发展和优势

胶合木—混凝土组合梁是一种基于胶合木梁和混凝土楼板发展起来的新结构。

此类组合结构常用在建筑系统的的组合楼板系统，也简称TCC系统。

该组合梁通过使用剪力连接件把木梁和混凝土翼板连成整体而共同受力的组合构件[6]（如图3所示），木梁受拉，混凝土翼板受压，剪力连接件传递交界面上的纵向剪力[7]。

图3木-混凝土组合梁

Fig.3timber-concretecompositebeams

第一次世界大战和第二次世界大战后，钢铁供应短缺，导致钢材被用于混凝土的加固。

这种组合结构引发了欧洲TCC系统的发展。

1922年，Muller发明了了一个用于在混凝土板和木梁之间的钉子和钢支撑连接系统。

随后，1939年，瑞士（Schaub1939）提出了把Z-型钢材材和I-型钢材作为夹层连接系统的专利[8]。

在之后的50年里，欧美国家为了寻求木材在市场的广泛应用（美国，新西兰，澳大利亚，瑞士，奥地利等）他们开始对TCC系统的深入研究，并逐渐将这种系统应用到桥梁建设和旧房屋改造中，一个著名的例子就是1999年在芬兰建造的Vihantasalmi大桥[9]（如图4），该桥总长182米，宽15米，该桥的主要由顶面的

图4Vihantasalmi大桥外观（1999年）

Fig.4VihantasalmiBridge

混凝土甲板和作为支撑的木梁组成（如图5），目前任在使用当中。

图5Vihantasalmi大桥桥底构造详图

Fig.4Structuraldetailsonthebottomof

VihantasalmiBridge

诸多工程实践的结果表明TCC系统不仅具有极高的经济效益，还具有很大的生态社会效应。

如今，国外的TCC系统的试验研究和理论体系已趋于成熟，但是世界上很多的木材标准都没有涉及到TCC的设计，除了欧洲规范EC5的附录中，列入了木-混凝土组合梁的设计方法[10]。

近年来，我速生林资源丰富，且对进口木材实行免税政策，在经历了将近20年木结构研究的空窗期后，国内学者开始借鉴国外的木结构研究成果，开始发展国内木-混凝土组合结构，延伸并发展了以GluBam为主要结构材料的现代竹结构，并建设一批竹结构示范工程[11]、并且我国自主研发竹-木复合材料从研究范围到研究深度都处于世界领先水平[12]。

但是由于设计理论和理性客观认知还不够全面，彻底，我国的木-混凝土，竹-混凝土组合结构发展任在起步阶段。

但是，综合而言，木-混凝土组合结构的市场空间依然巨大，总结来说，主要有以下几点优势：

⑴与传统木材地板相比，刚度和强度显著增加；声学分离显着改善；热质量增加，减少建筑物加热

和冷却所需的能源消耗；

⑵木—混凝土结构有良好的防火性能，在燃烧时木材表面会发生炭化作用而防止内部燃烧保持其结构上的整体性，这种优越的耐火性能和低传热性使木—混凝土组合结构比钢或钢筋混凝土更耐火[13]。

⑵与传统的钢筋混凝土相比，质量轻、密度小、方便安装和预制；造价低；充分利用了木材的抗拉性能，保护环境，节约资源。

1.3木-混凝土组合梁的连接件类型

国外研究者提出了种类繁多的连接件，但是应用最多的还是钉类连接件，将钉类连接件与木梁上开槽浇灌混凝土的连接件组合起来使用的例子也较多[14]。

图6列出了几种常见的的连接件类型。

（d）组是最坚硬的连接，（a）组是的最不牢固的连接。

（a），（b）和（c）组的连接都允许混凝土和木材之间可以发生相对滑动，即横截面在载荷下可以不保持平面。

（d）组连接维持平面性。

简单地说，（a）组连接的系统只具有组（d）连接的系统的实际弯曲刚度的50％，（d）组连接能够发挥木材-混凝土组合之后全部的组合作用[15]。

图6常见的连接件类型：

（a1）钉子；（a2）钢筋混凝土板内钢筋用胶水粘结在木材中；（a3/4）螺丝钉；（b1/2）带有环或者齿板的连接器；（b3）钢管；（b4）钢冲压金属板；（c1）带有防止隆起的紧固件的圆形木凹槽，；（c2）带有防止隆起的紧固件的木方形凹槽；（c3）杯形凹槽和预应力钢筋；（c4）将木板和穿过木材的剪切板用钉在一起；（d1）胶粘在木材上的钢网架；（d2）胶粘在木材上的钢网；

Fig.6Examplesofconcrete-timberconnections:

（a1）nails；（a2）gluedreinforcedconcretesteelbars；（a3/4）screws；（b1/2）connectors（splitringsandtoothedplates）；（b3）steeltubes;（b4）steelpunchedmetalplates；（c1）roundindentationsintimber，withfastenerspreventinguplif；（c2）squareindentations，ditto；（c3）cupindentationandprestressedsteelbars；（c4）nailedtimberplanksdeckandsteelshearplatesslottedthroughthedeeperplanks；（d1）steellatticegluedtotimber；（d2）steelplategluedtotimber

2Peggi剪切试验和弯曲试验

目前，国内外对具有不同连接件的的木-混凝土组合梁进行了大量的弯曲和剪切试验研究，本文将会

详细介绍PeggiClouston等[16]教授在2005年根据图

6（d）所示连接件制作的组合梁的剪切和弯曲试验

全过程和试验结果，以深入了解木-混凝土组合梁

剪切试验的的本质。

2.1试验材料

用于两系列试验推出和弯曲的木材是BS11等级的德国云杉胶合木，其弯曲强度为11MPa。

这与北美合木层压强度16F-1.3E相当。

试验样品在实验室环境条件下制造和试验。

施工期间以及试验过程中，测量到木材的平均含水量为10％，变化很小。

根据木材水分含量如果小于15％，通常交界面可以使用粘合剂粘合，使用的粘合剂的性质由生产商规定。

本研究案例中使用的粘合剂是由德国斯图加特的WEVO-CHEMIEGmbH公司生产的双组分环氧树脂。

混凝土采用B25级，最小平均标准压缩强度为30兆帕。

剪切连接器由带有圆孔的St37钢材制成。

2.2剪切试验样品

共制造了六个剪切试验样本，如图7所示。

样品中，各部分的尺寸大小如下（宽×高×长）：

木材80×140×400mm；带孔钢网：

2×100×400mm；混凝土板400×80×400mm上。

在样品的制造过程中，首先沿木梁的长度方向用标准圆锯切割一个尺寸为3×50×400毫米的凹陷。

之后，使用制造商批准的分配系统（即，具有双层桶和混合喷嘴的涂敷枪），将胶水填充到凹陷中。

一层层的缓慢将胶水分多次填充，直到胶水的均匀分布并充满凹陷。

紧接着，在胶水还没凝固之前，将连接件缓慢但牢固地压入凹陷中，知道剪切连接件进入木材50mm，即连接件本身的一半。

图7剪切试验样本

Fig.7Cutopenviewofpush-outspecimen

等胶水固化之后，为了消除铸造取向对样品的剪切强度或刚度没有影响，以更好的评估样品纵轴上的剪切性能，可以将木材部分倒置在模板上后浇筑混凝土。

但实际的建筑板坯自然不会倒置浇筑混凝土。

值得注意的是，浇筑混凝土时，在木材和混凝土之间要使用防潮层，以防止浇铸过程中木材的过度湿润。

为了最大限度地减少混凝土的收缩对剪切连接件的压迫作用，和增强连接件与混凝土之间的相互作用，可以将面积最小钢筋电焊丝均匀绕在剪力连接器上。

浇筑混凝土时振动以去除气泡，然后在保持混凝土表面湿润的情况下固化3天。

28天后，样品显示混凝土的平均压缩强度为55MPa。

2.3剪切试验装置

剪切试验也称为推出试验，由于抗剪连接件受力复杂，不易直接采用理论方法分析确定其承载力，一般通过试验方法得到[17]。

试验装置主要有以下三种形式：

图8推出件形式

Fig.8push-outdevice

在实验室条件下进行了单侧推拉试验。

试验装置简图如图8所示。

加载装置采用限额为500千牛自动加载和采集数据的万能材料试验系统，为了减少水平接触点上的摩擦，采用滚动支座。

如图9，一个测量木材和混凝土之间的相对位移（滑移）位移传感器LVDT安装在标本的中心线上。

在组合梁两侧的加载点之间存在着初始固有的长度为130mm的偏心率，这一对水平力将会导致组合梁受到水平力偶的作用。

本试验根据德国标准“DINEN26891DIN1991”制定的半循环加载制度加载，荷载施加到预估的破坏荷载40%，停下来，将荷载降到10%左右，直到未能消除低负荷区域的内在松弛之后再重新增加荷载。

图9剪切（推出）试验装置简图

Fig.9Loadingandsupportconditionsofpush-outtest

2.4剪切试验结果

表1列出了6个测试样品的剪切试验数据统计结果。

主要是6个测试样品在力作用下的极限破坏载荷，位移，在剪力连接件上均匀分布剪应力，以及由负载-位移曲线的线性弹性部分的斜率确定的滑动模量K.

表1剪切（推出）试验结果

Table1.Push-OutTestResults

观察每个样品的失效模式，可以剪切连接器都是先屈服，再断裂。

图10的照片中所显示的是一个试验过后的并把附着的混凝土和木材清理干净的剪切连接器样品，从这张照片中，我们很容易看到一条规整的剪切断裂破坏线。

在原始的、实验过后的混凝土和木材界面处，连接件的外观类似于桁架腹板构件，钢网在拉力或者压力的作用下沿着这个平面形成小的交错。

经过仔细观察，可以确定钢网连接件先是因压缩导致缩紧屈服，而后因伸环导致破裂。

值得注意的是，在混凝土或木材中的任何位置都看不到胶粘剂失效，也就是说明交界处的连接件较胶粘剂先失效。

图10在剪切试验中失效的钢网连接件

Fig.10Shearfailureofsteelconnectorof

push-outspecimen

通过分析试验数据，剪切试样的破坏模式也很明显。

图11表示了剪切试验过程中6个样品的剪力-位移曲线。

很明显，6条曲线都可以简化成一个线弹性区和一个良好发展的塑性区（即塑性平台）。

此外，6条曲线之间有较高的紧密相似性，这表明连接件在剪力作用下的响应整体上均匀一致。

如表1所示，

连接件破坏时的极限剪力：

最大121KN,最小102.5千牛,变异系数为6.6%，而混凝土和木材的典型力-位移曲线的变异系数相对较高，一般在约为10-15%和15—25%之间。

因此，结果的整体一致性也表明，在由三种材料的构件剪切实验中，钢网连接件发生了破坏而不是其他材料发生破坏的原因是。

钢网极限剪力荷载低，且极限剪力荷载变异系数低。

一般可用变异系数的大小评价使用几种不同材料组成复合系统（见表1）。

滑动模量在331.1和657.4kN/mm之间变化，平均值为415.5kN/mm。

由于滑动模量受到三个不同滑移面滑动的影响，其变化系数29.22%高于极限剪力荷载的变异系数6.64％，并且混凝土孔隙率或粘合剂铺展的微小变化可以加剧这种变化。

此外，木材和混凝土之间的摩擦也被认为影响组合结构的滑动模量，通常木材和混凝土之间的间隙较小，则其试样的滑动模量较低，这表明在样品制造过程中质量控制很重要。

图11六个剪切样品力-位移曲线

Fig.11Load–displacementcurvesof

push-outtestspecimens

2.5弯曲试验

为了研究木-混凝土梁静态弯曲性能，弯曲试验采用全尺寸的组合梁。

如图12所示，弯曲试验样本由220×96×10000毫米（长×宽×高）的固体胶合板、120×960×10000毫米的混凝土板，以及三排钢网剪力连接件组成。

剪力连接器采用与剪切试验相同的钢网材料制成，每个连接器长1米，沿支座两端布置，支撑中心之间的净跨度为9.86米，支撑长度为96毫米。

值得注意的是，连接件没有沿梁纵向全长布置，因为采用两点加载方法，故两加载点为纯弯段。

图13弯曲样品跨中力-位移曲线

Fig.13Loadversusmid-spandisplacement

ofbendingspecimen

胶合木梁在制作时，特意做成跨中扰度为30mm的微拱形状，为了消除组合梁在重力荷载作用下的初始扰度。

两个加载点之间的距离为2.60米，采用限额为2000千牛液压加载器。

分别在梁底面、支座底面、以及组合材料的交界面放置LVDT位移传感器，用以测量梁在弯曲作用下的量跨中的竖向挠度和交界面的水平横向滑移量，支座的微小竖向位移。

2.6弯曲试验结果

梁的荷载/跨中位移曲线如图13所示。

曲线的两个方面是特别值得注意的：

（1）梁失效后、跨中的位移没有减少

（2）梁失效时，没有出现如图10所示的水平塑性屈服平台。

造成这些意外的原因是在竖向力作用下梁的扭转失效导致了异常数据采集。

在峰值荷载下，梁破坏的唯一外部可见迹象是在靠近左端支座和邻近荷载点的木材和混凝土交界面出现了滑移裂缝。

图12弯曲试验组合梁样品

Fig.12Beamspecimensetup

已经确定，组合梁的初始屈服荷载大约为250kN，左端支座附近的一排剪切连接件比其他构件先行失效（试验过后，通过检查钢网连接件的变形和破裂的程度可以证明），这导致组合梁在竖向力作用下发生了平面外的变形（即出现了扭转屈曲）。

负载设备也因此朝平面之外倾斜。

数据采集受加载和载荷控制的，随着载荷的不断增加，梁的扭转导致中跨的挠度减小了。

因此，很不幸捕捉的荷载/中跨位移曲线没有塑性平台。

但这并不意味着剪力连接器没有经受塑性屈服。

放置在发生破坏的交界面上测量木材和混凝土之间的水平位移滑动的传感器，展示出了剪力连接件高延性，如图14所示。

此外，所有发生破坏或者裂缝的地方都没有观察到胶粘剂的失效。

在使用均质材料的梁弯曲试验中，扭转破坏是不常见的，但就这个组合梁的弯曲试验结果来看，由于材料的多变性导致连接件先于其他组成材料发生破坏，使得这种组合梁结构很有可能发生扭转失效，而不是弯曲失效。

但如果梁的结构长宽比为10：

1，也可能会导致扭转失效模式。

但据推测，这不会成为全楼面应用的问题，因为整个楼面的宽度将为组合系统提供扭转稳定性，然而，这是一个需要进一步调查的研究领域。

图14弯曲样品中连接件力-水平滑移曲线

Fig.14Loadversushorizontaldisplacementoverbearingofbendingspecimen

2.7Gutkowski弯曲试验研究

Peggi教授的弯曲试验结果不能充分说明组合梁的弯曲的力学性能，故在此补充其他两位教授的试验研究成果说明组合梁在弯矩作用下的破坏特征和破坏形态。

Gutkowski等[18]于2008对带有斜凹槽的木—混凝土组合梁进行了两点弯曲试验（如图15所示）。

试验结果表明组合梁失效模式主要：

木梁受拉破坏、木梁剪切破坏，混凝土板与木材材交界面脱离破坏（如图16、17、18所示）。

其中图16失效模式最为常见且破坏是延性的。

图18失效模式是最危险的，凹槽的销钉先从凹槽中拔出，导致木材和混凝土板分层分离，最后在凹槽附近的混凝土板在压力的作用下出现横断裂纹，这种破坏是脆性的。

图15弯曲试验样品简图

Fig.15Beamspecimendimensions

图16木材受拉破坏

Fig.16Tensilefailureinwoodlayer

图17木材受剪破坏

Fig.17Shearfailureinwood

图18混凝土板破坏

Fig.18Failureinconcretelayer

2.8Peggi和Gutkowski结果带来的启发和思考

从以上所述的组合梁的剪切和弯曲试验案例

来看，木-混凝土组合梁受力的3大特点：

⑴木-混凝土组合梁由四部分组成：

木梁、混凝土板、胶粘剂、连接件。

⑵连接件分为柔性连接件和刚性连接件，刚性连接件在水平力和竖向力的作用下均表现出良好的延性。

⑶连接件失效通常先于组合梁其他部分失效，这样来说，木-混凝土组合效应（木材受拉，混凝土受压）没有发挥出来，那这种组合结构就缺失了其组合的最大优势了。

故如何充分发挥木-混凝土组合结构的组合优势将是我们值得去思考的问题。

即要如何保证该组合结构的木梁和混凝土板在不牺牲其刚度和强度的条件下具有足够的延性且在木材或混凝土构件在发生延性破坏之前，连接必须是刚性的并表现出足够的延性[19]。

接下来，我将从理论分析和诸多学者的试验研究结果来说明这个问题。

3木-混凝土组合梁受力分析

3.1简支梁的短期力学行为分析

在弯曲作用下，半刚性体系由于上下两层的弹性模量不一致，使得相邻层以互相约束的方式发生相对滑动，在系统完全对称的情况下，交界面的相对滑移量在梁的端部最大，中间为零（如图14所示）。

由于这种相对滑移，梁的经典弯曲（例如平截面假定）计算理论将不能应用这种组合结构,但对于实际的计算，为了简化计算，可用传统的换算截面法假设混凝土板和木梁完全共同作用，忽略交界面上滑移影响[20]。

如图19所示的，简支梁在竖向均布荷载的作用下，截面内力包括弯矩M、轴力N、沿均布荷载q方向的剪力V，一般在纯弯矩的在作用下，轴力可以忽略不计。

由于受力后的截面不再符合平截面假定，故直接将简支梁视为长度均匀的、完全对称的的两层结构分析。

加载时，由于相对滑移，故在交界面上，连接件上会形成一个大小相等，方向相反的Q力系，该力系与层之间的界面相切，Q的大小与所处位置的滑移量密切相关，滑移量沿梁的两端逐渐向梁的中心减少，则Q在梁的两端最大，在梁的中间为零。

为了平衡产生的Q产生力系，在平衡层的中间会产生一个轴向力系统N1和N2。

在纯弯曲的作用下，对称的简支梁N1为压力，N2为拉力，且N1和N2在端部值为零，在梁跨中截面的值最大，如图20所示。

其截面的内力之间的关系有：

截面弯矩M:

截面轴力N：

N的大小，取决于连接件的刚度（如果没有连接件，则N=0）。

以上分析的结果将会在截面产生如图21所示的应力和应变分布。

由于总弯矩M的值不变，如果连接件的刚度增加，层内的局部弯矩M1+M2将减小，轴向力N1和N2则必须增加。

M1+M2的减小反应了由于连接刚度的增加可以导致梁的扰度和曲率半