增大截面法加固胶合木梁受弯性能研究

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胶合木梁在使用过程中,因为材料强度退化、使用条件改变等原因,常会出现承载力和刚度不足的情况。为此,国内外学者提出了一些对胶合木梁加固的方法,如粘贴纤维复合材料、粘贴钢板及外加预应力等,但这些方法绝大多数只能提供梁的承载力,对梁的刚度提高幅度有限。对此,本文采取一种增大截面的方式对胶合木梁进行加固,并且新增截面与胶合木梁采用胶钉结合的方式进行连接。目前国内外学者对增大截面法加固胶合木梁的受弯性能并未开展过多的研究,但对于胶合木梁受弯性能的改善,这种简便有效的加固方式具有重要的研究意义。为此,本文主要展开如下研究工作:(1)以樟子松为原材料制作了48根尺寸为2850mm×120mm×50mm的胶合木梁,选择樟子松板、重组竹板、花旗松板以及新型自攻螺钉作为加固材料,通过胶粘和胶钉联合作用,形成“增大截面加固梁”。通过对6组12根胶粘加固试件和6组36根胶粘钉接加固试件的受弯性能试验,研究了截面高度、新增层板材料、胶粘工艺以及自攻螺钉的布置方式对其受弯性能的影响。试验结果表明:加固梁的极限荷载与截面高度成正比。同种材料加固下,相比于单层板加固的试件,由双层板加固的试件极限荷载提升了22.44%~43.7%;3种加固材料中,重组竹的力学性能较为优越。在相同截面高度下,由重组竹板加固的试件极限荷载最高,比其它两种材料加固的试件极限荷载高出8.52%~30.68%;同组内采用标准压应力胶粘加固的试件受弯时的极限荷载略高于采用一半标准压应力胶粘加固的试件受弯时的极限荷载。这也说明试件加工时,胶粘的工艺流程对试件的受力性能有一定的影响;同组试件的极限荷载与挠度基本成正比。说明在相同截面形式下,受弯时挠度较大的试件,受力也更为充分;同种材料加固下试件的抗弯刚度与试件的截面高度成正比。相比于单层板加固试件,双层板加固试件的抗弯刚度提升了20.9%~93.1%,由此可见,增大截面法可以有效提升试件的刚度。(2)通过对胶粘加固梁和胶粘钉接加固梁的对比可知:在相同截面形式下,相比于胶粘加固试件,胶粘钉接加固试件的极限荷载和挠度更高。自攻螺钉旋入后,加固梁的极限荷载提升了9.2%~12.5%,加固梁的挠度增长了4.58%~33.08%,说明自攻螺钉使新旧层板之间的连接性能更好。同时,也起到限制胶层剪切破坏和抑制裂缝发展减少脆性破坏的作用;自攻螺钉的布置方式对加固梁的受力性能也有一定的影响。在自攻螺钉旋入角度相同的同组试件中,钉长较大且间距较小的梁的极限承载力反而比较低。这是因为自攻螺钉过长而间距较小时,会导致加固梁内局部木纤维破坏过于集中,致使加固梁的抗拉强度降低。基于此本文给出了自攻螺钉的合理长度和间距建议,推荐以25mm的间距90°向梁内旋入120mm长的自攻螺钉为最佳布置方式。(3)通过理论分析,在等效截面法的基础上对加固梁受弯承载力的计算公式进行推导,并根据计算结果对其经济性能进行分析,所得结论如下:改善试件受拉区材料的力学性能,可以有效提升试件的受弯承载力;试件的受弯承载力与有效截面高度成正比;相同截面高度下,由重组竹板加固的试件受弯承载力最大;自攻螺钉的旋入,可以较好的改善加固梁的受力性能,提升其受弯承载力;对试件受弯承载力的试验值和计算值进行对比,误差率在0.6%~16.6%之间,未超过20%,说明试件的受弯承载力计算公式可行,可以用于不同于本文截面形式的试件受弯承载力的计算;在截面高度相同时,由重组竹板和自攻螺钉加固的试件成本节省最多。说明选用重组竹板和自攻螺钉共同对胶合木梁进行加固的方式,较为经济合理。(4)利用ABAQUS有限元软件对试验加固梁进行有限元建模,并且对加固梁的受弯试验进行了模拟,通过对试验加固梁与模型梁的破坏形态、荷载—挠度曲线、极限荷载与挠度的变化规律以及极限荷载误差率的对比分析可知,模型梁与试验梁能够较好的吻合。在此基础上拓展了3种模拟工况,包括截面高度、自攻螺钉长度以及自攻螺钉旋入角度对模型梁受弯性能影响的有限元分析,分析结果表明:模型梁的抗弯刚度和极限荷载与模型梁的截面高度成正比;相同截面形式下,当自攻螺钉长度以及排列间距相同时,模型梁的极限荷载与自攻螺钉旋入角度成正比。当自攻螺钉旋入角度以及排列间距相同时,模型梁的极限荷载与自攻螺钉长度成正比。综上所述,本文提出的胶粘钉接增大截面加固梁,构造简单、受力可靠,可用于实际工程。通过试件受力性能和经济性能的对比,由重组竹板在胶合木梁底部粘贴,以25mm为间距向梁内90°旋入120mm长的自攻螺钉共同组成的“重组竹板胶粘钉接增大截面组合梁”的实际加固效果最佳。
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