预应力钢绞线增强胶合木抗弯性能研究

胶合木，也称结构用集成材，是一种以承重为目的，将按等级区分的层板（可指接、斜接或拼宽）沿纤维方向相互平行，在厚度方向层积胶合而成的结构材，主要用于建筑结构的承重构件。与原木相比，胶合木具有力学性能可靠、尺寸稳定性好、耐火等级高等特点，且胶合木的强度和刚度均优于锯材，可以实现木材的有效利用。

虽然胶合木有如此多的优点，但在使用中也存在以下问题：胶合木弯曲时受力分为底部受拉区和顶部受压区；其弯曲破坏时一般是底部层板拉伸破坏，而此时顶部受压区木材并未达到破坏时的应变，因而导致木梁弯曲破坏时顶部受压区木材的抗压能力并未得到充分发挥，这在一定程度上造成了木材的浪 费。木材的拉伸破坏一般是脆性破坏，而压缩破坏一般为延性破坏，因此胶合木底部拉伸破坏有一定的突然性。国内外研究人员对上述问题进行研究，提出了一些改善其性能的方法。他们考虑用其他材料增强胶合木，例如在胶合木中配置FRP、钢筋等增强材料，利用这些材料的高抗拉强度提高胶合木的弯曲性能，但研究表明，单纯使用FRP、钢筋等增强胶合木虽可在一定程度上能提高胶合木的弯曲性能，但效果不太明显，且增强材料的性能也得不到充分发挥。本文通过对钢绞线施加预应力的方式增强胶合木，分析不同预应力下的增强效果，以期为预应力胶合木的进一步研究奠定基础。

1??试验材料与设备

1.1??试验材料

（1）木材：花旗松（Pseudotsuga menziesii）， J级材，产地为加拿大，规格尺寸为3?050?mm×160?mm×50?mm，密度为0.54?g/cm3，平均含水率为12.50%。

（2）钢绞线：型号为1×7-12.70-1860-GB/T 5224—2014，公称抗拉强度1860MPa，弹性模量195GPa，密度7.85g/ cm3 ，公称直径12.70mm，公称截面积 S _n =98.7m㎡，钢绞线最大拉力 F _{m , max} =184?kN。

（3）预应力钢绞线锚具：型号为BJM13-1。

（4）单组分聚氨酯：型号HB S309，粘度25?Pa·s，固含量1.05。

（5）异氰酸酯：双组份异氰酸酯，主剂KR-134，固化剂AX-200。

1.2??试验设备

（1）四面木工刨床型号为RMM623；（2）立式压机型号为LB-6180；（3）工具锚型号为YJM13-1G；（4）穿心千斤顶型号为RCH202；（5）数据采集系统型号为I555；（6）万能力学试验机型号为AG-IS 100?kN。

2??试验方案

通过对钢绞线施加不同的预应力制备预应力钢绞线增强胶合木，对比不同预应力钢绞线增强胶合木的抗弯性能。试验选取50%, 58%, 66% 3组预应力。每个试验组分别制备3个试件。试验组设置见表1。

表1??试验组设置

注：试验组1为未增强胶合木，试验组2, 3, 4为预应力钢绞线增强胶合木。 ?

2.1??预应力钢绞线增强胶合木的制备

综合考虑钢绞线的锚固形式、胶合木的制备工艺，并结合预应力钢绞线在预应力混凝土结构中施加预应力的方法，采用后张法施加预应力。图1为预应力钢绞线增强胶合木的制备工艺流程。

图1??预应力钢绞线增强胶合木制备工艺流程

2.2??预应力钢绞线增强胶合木的制备方法

2.2.1??木材层板加工

（1）木材分等：采用目测分等的方法，选取密度相近、年轮均匀的花旗松板材。

（2）双面刨光：将目测分等后的板材双面刨 光，将厚度为50?mm的板材压刨为46?mm。

（3）裁边：将宽度为200?mm的花旗松板材，裁成3条宽度为54?mm的层板。

（4）去缺陷：参照GB/T 26899—2011《结构用集成材》对木材质量的要求，去除节子、斜纹、变色等缺陷，并将侧弯较大的层板进行横截。

（5）指接：因去除缺陷后的层板长度不同，需指接成长度为5?760?mm的层板，指接使用双组分异氰酸酯胶黏剂，主剂和固化剂配比为100∶15，涂胶量为200?g/㎡。

（6）四面刨光：将指接后的层板进行四面刨光，加工成宽52?mm，厚41?mm的层板，误差控制在±0.1?mm以内。

（7）底部层板开槽：底部两层层板分别加工出直径为15.9?mm的圆底槽，用于放置钢绞线。底部层板开槽如图2所示。

图2??底层层板开槽示意

（a）主视图；（b）剖面图

2.2.2??钢绞线表面处理

为提高钢绞线与木材的胶合性能，使用200目砂纸砂光钢绞线表面，去除表面污渍。砂光时应均匀用力，以免影响钢绞线的抗拉性能。

2.2.3??组坯胶合

（1）涂胶：层板使用普邦HB S309聚氨酯胶粘 剂，涂胶量180?g/㎡，底部层板圆底槽内涂胶量为260?g/㎡。钢绞线表面也应均匀涂布聚氨酯胶粘剂，以便钢绞线与木材胶合，涂胶量为180?g/㎡。

（2）组坯：层板厚度为41?mm，组坯方式如图3所示（7层层板）。

（3）加压胶合：压力1.2?MPa，压合时间120?min，环境温度23~25℃，相对湿度50%~55%。

（4）施加预应力：施加预应力到试验方案设定 值，图4为钢绞线张拉示意。

预应力钢绞线增强胶合木制备完成养护3d后，用角磨机切去多余的钢绞线，锚具以外的钢绞线至少保留150mm，以防止脱锚。制备完成的预应力钢绞线增强胶合。

2.3??预应力钢绞线增强胶合木抗弯性能检测 按GB/T 26899—2011 5.3.1《结构用集成材》抗弯试验方法A进行检测。

3??结果与分析

3.1??抗弯强度与抗弯弹性模量

表2为预应力钢绞线增强胶合木抗弯性能试验 结果。

表2??预应力钢绞线增强胶合木抗弯性能试验结果

注：试验组1为未增强胶合木，试验组2, 3, 4为预应力钢绞线增强胶合木。

分析表2可知，与未增强胶合木相比，预应力钢绞线增强胶合木，抗弯强度和抗弯弹性模量均有显著提高。当施加50%预应力时，预应力钢绞线增强胶合木抗弯强度达到56.82?MPa，抗弯弹性模量达到14.87?GPa，较未增强胶合木分别增加了36.0%和24.4%；当施加58%预应力时，其抗弯强度达到61.25 MPa，抗弯弹性模量达到15.39 GPa，较未增强胶合木分别增加了46.6%和28.8%；当施加66%预应力时，抗弯强度达到70.75 MPa，抗弯弹性模量达到16.03?GPa，分别增加了69.4%和34.1%。由以上数据可看出，在试验选取的预应力范围内，胶合木的抗弯强度和抗弯弹性模量随预应力的增加而增大。

3.2??破坏形式

各组试件破坏形式如图5所示。

图5??试件破坏形式

（a）底部层板拉伸破坏（未增强）；（b）底部层板拉伸破坏（50%预应力增强）；（c）底部层板指接拉伸破坏（58%预应力）；（d）底部层板拉伸、顶部部分木材压缩破坏（66%预应力）

在加载过程中未增强胶合木底部层板首先受拉破坏，继续加载导致整个木梁破坏。与预应力钢绞线增强胶合木相比，未增强胶合木破坏具有突然性。预应力钢绞线增强胶合木主要表现为底部层板拉伸破坏，同时顶部受压区层板压头部位出现局部压溃现象，表明通过施加预应力，可在一定程度上提高顶部受压区木材的利用效率。

弯曲试验过程中，机械锚具未出现脱锚现象，表明机械锚具有可靠的锚固性能。在弯曲试验过程中，所有预应力钢绞线增强胶合木试件均未出现钢绞线拉伸破坏现象，这可能是由于以下原因：（1）钢绞线拉伸强度较大，施加预应力后仍可承受较大荷载；

（2）预应力增强后的胶合木会产生反拱，进行弯曲试验时挠度较小。

这些原因导致胶合木木梁底部层板拉伸破坏，进而在木梁整体失效时钢绞线仍未达到极限拉应变，因此未出现钢绞线拉伸破坏现象，表明钢绞线的性能并未得到充分发挥。若进一步提高预应力，胶合木的抗弯性能可能会有进一步提高。

3.3??中性轴位置变化

图6~图9分别为增强胶合木、50%预应力增强胶合木、58%预应力增强胶合木、66%预应力增强胶合木的跨中截面沿高度方向（梁顶部至底 部）应变分布图。其中，拉应变为正，压应变为负。

图6??未增强胶合木跨中截面应变分布

图7??50%预应力增强胶合木跨中截面应变分布

图8??58%预应力增强胶合木跨中截面应变分布

图9??66%预应力增强胶合木跨中截面应变分布

由图6~图9可看出，未增强胶合木、预应力钢绞线增强胶合木跨中截面沿高度方向应变均呈线性分布，且随荷载增大中性轴位置基本保持不变。这表明，未增强胶合木与预应力钢绞线增强胶合木均符合平截面假定。由图6可知，未增强胶合木中性轴基本位于木梁高度方向的中间位置，即位于距梁顶部143.5?mm处。由图7~图9可看出，施加预应力后胶合木木梁中性轴位置出现了不同程度的偏移。施加50%，58%，66%预应力增强胶合木木梁中性轴位置分别位于距木梁顶部147mm, 150mm, 156mm处，各向下偏移了1.2%, 2.3%, 4.7%（偏移量=偏移绝对值/ 梁高×100%），表明对钢绞线施加预应力，增强胶合木可使其中性轴位置向下偏移。在试验选取的预应力范围内，中性轴位置向下偏移量随预应力增加而增大，这也表明对钢绞线施加预应力增强，胶合木可扩大胶合木木梁的受压区，提高木梁受压区木材的利用率，进而提高胶合木木梁的抗弯性能。

3.4??荷载与应变的关系

图10~图13分别为未增强胶合木、50%预应力增强胶合木、58%预应力增强胶合木、66%预应力增强胶合木的各层板荷载–应变曲线图。图例 h-x mm表 示应变片到胶合木顶部的距离，例如 h -20mm表示该测点位于距胶合木顶部20mm处。

图10??未增强胶合木各层板荷载–应变曲线

图11??90?kN预应力增强胶合木各层板荷载–应变曲线

图12??105?kN预应力增强胶合木各层板荷载–应变曲线

图13??120?kN预应力增强胶合木各层板荷载–应变曲线

由图10~图13可看出，未增强胶合木与预应力钢绞线增强胶合木各层板应变随荷载的增加基本呈线性增大。图10显示 h -141mm处木材的应变在0左右，且随荷载增加应变基本不变，表明未增强胶合木的中性轴位于胶合木中间位置。施加预应力后，胶合木的中间层板由既不受拉也不受压转变为受压，表明施加预应力使胶合木受压区扩大，进而提高了胶合木的抗弯性能。

4??结论

本文采用后张法制备预应力钢绞线增强胶合木，通过单因素对比试验，研究了不同预应力下钢绞线增强胶合木的抗弯性能，并分析了各试验组的抗弯强 度、抗弯弹性模量、破坏形式、中性轴位置变化、各层板应变-荷载关系等，得如下结论：

（1）对钢绞线施加预应力增强胶合木可显著提高胶合木的抗弯性能，在试验选取的预应力范围内，抗弯强度与抗弯弹性模量随预应力增加而增大。当施加66%预应力时抗弯强度达到70.75MPa，抗弯弹性模量达到16.03GPa，分别增加了69.4%和34.1%。

（2）预应力钢绞线增强胶合木基本符合平截面假定，施加预应力可使胶合木中性轴位置向下偏移。在试验选取的预应力范围内，偏移量随预应力增加而增大。当施加66%预应力时，偏移量最大，达到4.7%。

（3）施加预应力可以在一定程度上扩大胶合木木梁的受压区，提高受压区木材的利用效率。