胶合木张弦梁弯曲性能试验及工程应用研究

胶合木张弦梁弯曲性能试验及工程应用研究
孙小鸾;刘伟庆;陆伟东;朱先伟;袁盛林
【摘要】为了进一步研究胶合木张弦梁（BSS）的力学性能，进行了10榀花旗松胶合木梁（2榀普通胶合木梁（B），8榀的张弦胶合木梁）的抗弯试验研究。

结
果表明：张弦梁可改善普通梁的脆性破坏模式，使上弦木梁的受压性能得到有效发挥，破坏表现出塑性特征，极限承载能力提高3倍以上。

张弦梁的极限承载力及
刚度与跨高比成反比，与垂跨比成正比，与腹杆数量成正比。

初始预应力水平对承载能力的影响不明显，仅对刚度有贡献。

结构破坏时的延性需要综合考虑各项因素。

结合一项设计完成的50.4 m 跨胶合木张弦拱结构实例，阐述关键连接节点及预应力取值等问题，并对整体结构性能进行了分析。

研究内容可为胶合木张弦梁理论及工程应用提供参考。

%In order to investigate the performance of glulam beam string structures(BSS),ten specimensof douglas fir glulam beams (2
of ordinary glulam beams,8 of BSS)were undertaken.The results indicate that BSS can improve the brittleness failure mode of ordinary beam,and
the compression performance of the upper chord beam can be used effectively.The BSS behave mostly as the characteristics of plastic
failure.The ultimate bearing capacities of BSS are increased by more than three times.The ultimate bearing capacity and stiffness are inversely proportional to thespan-to-depth ratio,but directly proportional to the
sag-to-span ratio,to the number of web members.The influence of the initial prestress level on the bearing capacity is not obvious,but contributes to the stiffness of the whole structure is important.The ductility of BSS should be considered from various bined with a completed
design,a arched glulam beam string structure with 50.4 m span,the key connection,prestress and other issues,and analyze the overall performance of the structure were described.The results can provide reference for the BSS theory and engineering application.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(038)005
【总页数】8页(P121-128)
【关键词】胶合木张弦梁;跨高比;垂跨比
【作者】孙小鸾;刘伟庆;陆伟东;朱先伟;袁盛林
【作者单位】南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800
【正文语种】中文
【中图分类】TU366.3
胶合木结构在国内外体育馆、游泳馆、商业建筑、教堂、学校及展览馆等大型建筑工程中被大量应用[1]。

例如,美国塔科马体育馆采用了胶合木单层球面木网壳;加拿大里士满速滑馆采用了曲线拱胶合木结构;日本兵库县游泳馆采用了张弦胶合木结构等，如图1所示。

国内方面,近年来胶合木建筑也呈现增长的势头,典型工程如成都欢乐谷、国家游泳队游泳训练馆、上海世博会瑞典馆、苏州胥虹桥、贵州百里杜鹃展览馆以及贵州省榕江县室内游泳馆等。

随着木结构建筑对空间跨度要求越来越
大,梁构件需要足够的截面尺寸,但木材存在尺寸稳定性问题,随着截面的增加,构件的各项强度指标会随之下降,例如《胶合木结构技术规程》[2]也对构件高度大于1.2 m的胶合木,规定强度需折减20%后设计。

文献[3]也发现受拉侧木材存在的缺陷,胶合木梁受弯破坏时大多表现为受拉区木材拉裂,而此时受压区木材强度并未充分发挥,造成了材料的严重浪费。

20世纪80年代,Onotsuka等[4-5]最先提出了“张弦梁”的概念,并对胶合木张弦梁进行了一系列基础研究,发现该结构腹杆可为上弦刚性子结构提供多个弹性支点,有效减少子结构的跨度,从而减小上弦截面的高度。

对预应力筋加强的松木梁,分别进行了预应力梁、单(双)腹杆木梁以及普通木梁的受力性能对比研究,结果发现预应力木梁、单腹杆、双腹杆木梁的承载能力及刚度依次提高。

张晋等[7]进行了5 榀张弦胶合木拱在设计基本荷载组合下的试验研究。

结果表明张弦木拱在受弯破坏时,跨中最大挠度达到跨度的近1/40,上弦木拱的极限压应变达到约0.9%,整体结构表现出良好的塑性性能,增加拱跨比或垂跨比,均能一定程度上提高张弦木拱的承载能力。

笔者通过对8榀张弦胶合木梁以及2榀普通木梁受弯对比试验研究,系统研究腹杆数目、上弦胶合木梁的跨高比、腹杆的垂跨比以及下弦初始预应力水平等因素对张弦胶合木梁抗弯承载力、整体刚度以及破坏模式的影响。

结合一项设计完成的50.4 m跨胶合木张弦拱结构的应用实例,阐述关键连接节点及预应力取值等问题,并分析整体结构的性能,为胶合木张弦梁后续研究及工程应用提供技术参考。

1.1 试验设计
本文以跨度为18 m的张弦胶合木梁为原型,分别加工制作了普通胶合木梁、单腹杆胶合木张弦梁以及双腹杆胶合木张弦梁等10组1∶4的模型,其中双腹杆的试件尺寸构造如图2所示。

木材采用花旗松,含水率控制在10%左右,通过试验得到胶合木的各项力学指标如下:顺纹抗压强度平均值为56.7 MPa,顺纹抗拉强度平均值102.12 MPa,弹性模量平均值为12.236 GPa;横纹径向抗压强度平均值为7.47
MPa,弹性模量平均值为780.4 MPa;横纹弦向抗压强度平均值为2.89 MPa,弹性模量平均值为409 MPa。

下弦采用预应力钢绞线,公称直径9.5 mm,腹杆采用
φ42×3钢管,腹杆上下端采用Q235钢板结合M8.8级螺栓连接,试件尺寸如表1所示。

1.2 试验加载
试件采用三分点对称分级加载。

试验初期,先对试件进行5次1～2 kN的预加载,使试件和装置密实,并调试应变片及位移计的采集情况,并通过相近3个挠度读数计算弯曲弹性模量。

然后,以速度为3～5 kN/min,持续时间6～14 min的持续加载方式加载直至构件破坏。

加载装置如图3所示布置。

试验过程中,记录木梁在发生声响以及裂缝阶段、受压区出现褶皱时对应的外荷载和挠度值,以及各试验构件的破坏形态。

2.1 普通胶合木梁(B1、B2)试验现象
B1、B2梁受荷响应相似,跨中挠度随着荷载的增大而增大,当荷载到达木材弹性极限荷载后, 木构件跨中挠度增加变快,峰值荷载之后,构件受拉侧纤维发生破坏,沿木材水平方向形成剥离层,跨中挠度大幅度增大,木构件失去承载能力。

整个加载过程中,跨中截面平均应变符合“平截面假定”。

从图4对应梁的荷载位移曲线以及图5梁的破坏形式可以看出,普通胶合木梁从承载到破坏近乎线性状态,破坏表现脆性特征,无明显预兆,B1、B2的极限承载力分别约7.5、6.3 kN。

2.2 张弦胶合木梁(BSS1-1～4、BSS22-1～4)试验现象
试验前,分别对这8榀张弦胶合木梁按照设计预应力水平进行张拉,木梁均出现反拱,外荷载加载初期,反拱首先抵消一部分上部荷载,开始出现向下的挠度,后期的试验现象相似。

以BSS1-2为例,但加载到12 kN时,张弦木梁开始发出轻微的声响,当荷载达到16 kN后,木梁发出持续的响声,木材在受压侧有明显的压缩变形,但荷载继续增加至29 kN时,上弦木梁在底部发出断裂声,受拉侧木材剥离破坏,如图6所示。

图7为在普通梁B1的基础上增加了一根腹杆的张弦梁BSS1-2受弯破坏时的形态,可以看出增加了张弦构造,使得上弦胶合木梁的受压性能更好地发挥作用,构件出现持续的裂缝开展过程,从图6的荷载-位移曲线也可以看出木梁表现出了明显的塑性特征。

最终破坏时,张弦胶合木梁的极限承载能力提高了3倍以上。

其他构造的张弦梁承载能力也得到不同程度的提高。

试验发现,不同构造张弦木梁的极限承载力和刚度较普通木梁均有不同程度的提高,提高的幅度与跨高比、垂跨比、预应力水平以及腹杆的数目有关。

各构件的极限承载力如表2所示。

3.1 跨高比的影响
图8为跨高比30∶1的试件BSS1-(1～ 4)与跨高比为36∶1的试件BSS2-(1～ 4)的结果对比。

由图8可知：张弦胶合木梁的受弯极限承载力随着上弦胶合木梁的跨高比的增大而减小,减小幅度在30%左右。

相同荷载作用下,跨高比小的张弦梁对应的跨中挠度较小。

且对于腹杆长度较大或数量较多的BSS1-2、BSS1-4,无论是极限承载能力还是最终破坏时的跨中挠度均大于BSS2-2或BSS2-4,可见腹杆数量以及长度需要与上弦胶合木截面尺寸综合考虑,方能获得承载能力以及延性的双重提升。

3.2 垂跨比的影响
图9为垂跨比1∶10的试件BSS1(2)-1与垂跨比1∶12的试件BSS1(2)-2的结果对比。

由图9可知：增加垂跨比对张弦梁的弯曲承载力有提升作用,且对上弦截面较大者提升效果更明显。

同时,相同荷载作用时,垂跨比增加,结构整体刚度增加,跨中挠度明显减小。

外荷载在15 kN时,垂跨比1∶10的张弦梁较垂跨比1∶12的张弦梁跨中挠度减小近20%。

同样垂度也需要与上弦胶合木梁截面综合考虑,才能获得承载力与延性的双重提高,试验发现垂度对BSS1结构性能提升的效果比BSS2明显,垂度增加后的BSS2-2虽承载能力提升,但破坏时的跨中挠度比垂度较小的BSS2-1
反而降低,造成延性降低。

3.3 腹杆数的影响
图10为单腹杆试件BSS1(2)-1与双撑杆试件BSS1(2)-4的结果对比。

由图10可知：腹杆数量对张弦梁的承载能力以及挠度均有影响,双腹杆较单腹杆张弦梁极限承载能力提高了约30%。

相同荷载作用下,双腹杆张弦梁较单腹杆张弦梁跨中挠度减小近30%。

因此,适量增加腹杆数量,并进行合理的布置,对于2种跨高比的胶合木梁,均有助于提高其结构的受弯承载力、弯曲刚度及延性。

另外,腹杆数量的适当增加使上弦胶合木梁的正负弯矩分布更加均匀,对木材的有效利用有利。

3.4 初始预应力的影响
图11为预应力4.5 kN的试件BSS1(2)-1与预应力9.0 kN的试件BSS1(2)-3的结果对比。

由图11可知：初始预应力对张弦梁的弯曲极限承载能力影响不明显,仅对结构破坏时挠度有影响。

增加初始预应力,结构整体的刚度随之越大,受荷时结构跨中挠度降低。

试验发现,相同荷载下,BSS1(2)-3张弦梁的跨中挠度较BSS1(2)-1张弦梁降低近25%,但破坏时的延性也随之降低。

4.1 实际应用
项目位于贵州省榕江县,为一座胶合木结构室内游泳馆,其中屋盖部分采用18榀50.4 m跨的张弦拱支撑,张弦部分实景图及整体分析模型如图12(a)、12(b)所示。

结构选型阶段发现采用纯粹的拱形结构将对支座产生巨大的推力,从而在混凝土基础处产生很大的弯矩,增加了基础的成本。

最终优选了张弦拱结构,为了减小施工各阶段上部屋盖荷载对支座的影响,同时发挥下部拉索性能,在拱的一侧支座设置了滑移支座,使支座处始终无推力存在。

结合建筑外形要求,确定拱的矢高6 m,矢跨比约1/8。

腹杆采用变截面的胶合木圆形构件,与上弦木拱及下弦拉索采用图12(c)、12(d)所示的节点方式连接,以实现和计算模型假定相一致的构造。

为了保证腹杆在面外的稳定,在各腹杆底部增加了一道水平稳定索。

该结构按照加工或施工阶段分零应力状态、初始状态以及受荷状态等3个阶段,其
中零应力状态用于构件工厂的加工依据;初始状态用于初步满足建筑外型的依据,此
状态下施加一定程度的初始预应力,使木拱落入两端支座滑移在支座中心位置附近,
且满足张弦梁自重和初始预拉力作用下张弦梁跨中产生的反向位移能够抵消1/2
屋面恒载作用下的张弦梁跨中产生的竖向位移,该工程中初始预应力取500 kN;受
荷状态是屋盖结构铺设完毕后的外型,此时需要再施加至少一次预应力,并固定下部
拉索。

4.2 结构性能分析
考虑不同荷载工况下结构的响应及风荷载对木结构大跨屋面张弦结构屋盖的敏感性,基本风压按100年设计基准值取值。

另外,由于屋盖为圆柱面的外型,根据文献[8-9]建议,考虑半跨活荷载不利分布的工况,综合评价张弦结构的力学性能。

如图13(a)、13(b)所示,在恒载和满布活载以及恒载和不利雪载作用下,结构竖向变形最大值分别为110.8、67.4 mm,均小于L/400(L为结构跨度)的限值,水平滑移量分别为23.6、8.9 mm,可以控制在结构滑移支座滑移量范围以内。

另外对结构在不同工况下的拱应力值进行了分析,均满足设计要求。

如图13(c)、13(d)所示,结构活荷载以及半跨雪载作用下,拱截面最大包络应力为7.5 MPa,且应力均保持为受压状态,选用胶合木材料TCt24而言,应力比约0.30,有一定安全余量,而同样的构件在纯两铰拱下拱截
面包络最大应力达到16 MPa,可见张弦结构大大减小胶合木拱的应力值。

1)普通胶合木梁受弯破坏模式以受拉侧木材被拉裂为主,破坏表现脆性特征。

而张
弦胶合木梁由于预应力和腹杆的贡献,上弦胶合木梁的受压性能得到更好的发挥,表
现出明显的塑性特征,最终的极限承载能力也较普通梁提高了近3倍以上。

2)胶合木张弦梁受弯极限承载力随上弦胶合木梁跨高比的增大而减小,降低幅度在30%左右,同时刚度也降低。

腹杆数量以及长度需要与上弦胶合木跨高比综合考虑,才能获得承载能力以及延性的双重提升。

3)增加垂跨比对提高张弦梁的受弯承载力有利,且对上弦截面较大者提升效果更明显。

随着垂跨比的增加,结构整体刚度也随之增加。

垂度增加同时需要考虑上弦胶合木梁截面的影响,才能获得结构承载力与延性的双重提高。

4)适量增加腹杆数量,对于2种跨高比的胶合木梁,均有助于提高其结构的受弯承载力、弯曲刚度及延性。

5)初始预应力水平对张弦梁的弯曲承载力影响不明显,仅对挠度有影响。

增加初始预应力,结构整体刚度随之越大,结构挠度降低。

但需要控制预应力水平,以免造成结构刚度增加但延性不足。

【相关文献】
[1] 陆伟东,杨会峰,刘伟庆,等.胶合木结构的发展、应用及展望[J].南京工业大学学报(自然科学版),2011,33(5):105.
[2] 中华人民共和国住房与城乡建设部.胶合木结构技术规程：GB/T 50708—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3] 刘伟庆,杨会峰.工程木梁的受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2008,29(1):90.
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