一般而言,木梁受弯破坏取决于其木材抗拉强度和弹性模量等力学性能,足尺木材抗拉强度较低主要是由于其存在木节、斜纹等缺陷所导致的,而木材弹性模量仅为钢材的1/20～1/15、混凝土的1/3～1/2,因此工程应用中大跨木梁的设计多为变形控制。由此,国内外学者针对木梁增强开展了大量研究^[1]。

　　 根据增强材料来分类,此类研究主要分为采用钢材增强和采用纤维增强复合材料(FRP)增强。两者各有优缺点:采用钢材增强时,优点是性价比高,缺点是钢材容易锈蚀,同时其与木材的线膨胀系数相差较大,在一些温度变化较高的场合可能存在共同工作性能较低的问题;采用FRP增强时,优点是其与木材的线膨胀系数更为接近,且其抗拉强度更高,缺点是成本较高,粘结锚固加工较为繁琐。目前,针对钢材增强木梁和FRP增强木梁的研究均有很多。

　　 钢材增强木梁的研究大致始于20世纪60年代并持续至今,增强材料的形式主要有钢筋或钢板等^{[2,3,4,5,6,7,8,9]};随着FRP材料的普及,FRP在结构加固方面的应用日趋增多,其在木梁加固或增强领域的研究和应用也逐渐增加,研究内容包括界面粘结应力^[10,11,12]、木梁承载力^{[9,13,14,15,16,17,18,19]}等,变化参数包括配筋率、木梁尺寸、配筋布置方式等。

　　 近几年来,开始出现利用开孔钢板或多孔钢板通过结构胶植入木构件,形成一种高性能连接的研究。此类研究主要包括基本的粘结承载力研究以及将胶接开孔钢板应用于木结构连接的研究。Bathon等^[20]通过研究发现,胶接开孔钢板应用于木结构连接时具有刚度大、延性好及抗疲劳破坏能力强等优点。毛旻等^[21]针对胶合木胶接开孔钢板的顺纹拉拔承载力开展了试验研究,分析了钢板锚固长度和孔密度对连接承载力的影响,并提出了破坏模式判定方法。Zhang等^[22]通过对胶接开孔钢板连接承载力及其用于正交胶合木墙体连接性能的研究,发现此类连接除了具有很好的承载力和延性外,还具有较高的初始刚度,非常适用于多高层木结构连接节点。还有部分研究将胶接开孔钢板应用于木-混凝土组合梁的界面连接体系中^[23,24],均取得了较好的研究成果。

　　 将开孔钢板应用于木梁增强的优势之处在于:1)经济性好,开孔钢板可直接在市场上采购,成本适中;2)安装及锚固便捷,无论采用自攻螺钉直接锚固于木梁还是采用结构胶植入木梁预开槽,都很方便,当采用结构胶植入木梁时,钢板上的开孔可以大大提高其锚固性能。因此,本文借鉴许清风等^[6,7]的研究思路,拟采用开孔钢板对木梁进行增强,锚固方式分别采用自攻螺钉锚固和结构胶接锚固两种,不过此处的胶接锚固是采用竖嵌钢板的方式,从而开展开孔钢板增强木梁的结构性能试验研究。

　　 试验中木材为花旗松胶合木,通过试验获得其主要物理力学性能的试验平均值。其中,木材含水率为10.4%,密度为475kg/m³,顺纹抗压强度为46.3MPa,顺纹抗拉强度为52.2MPa,顺纹抗剪强度为9.5MPa,弹性模量为13 020MPa。

　　 增强材料所用的开孔钢板材质为Q235,尺寸为4mm×30mm×2 800mm,孔直径为5mm,孔间距为10mm。平铺增强钢板锚固所用的自攻螺钉材质为304不锈钢,直径为4.2mm,长度为35mm。竖嵌增强钢板锚固所用的结构胶为双组份环氧树脂胶,其密度为1 500kg/m³,极限抗拉强度不低于30MPa,极限抗压强度不低于70MPa,弹性模量不低于1 500MPa。

　　 本文设计了4组共16根木梁,其中C组为未增强木梁;HR组为设置1片增强钢板利用自攻螺钉平铺于木梁底面;VR1组和VR2组均为增强钢板采用环氧树脂胶竖嵌于木梁受拉面层层板内,增强钢板数量分别为1片和2片。木梁截面尺寸为50mm×150mm,长2 850mm,试件跨高比为18。具体参数如表1和图1所示。

　　 试验采用四点弯曲试验方法(图2),加载采用位移控制方式,匀速连续加载直至试件破坏。为防止木梁的侧向失稳,试验中加设了侧向支撑。主要量测指标为跨中位移和跨中截面沿高度方向的应变分布情况,因此,本试验分别在跨中和两支座处设置位移计,并在跨中截面沿高度方向设置了5个应变片(图3),所有量测数据均由静态应变量测系统同步采集。

　　 对于C组未增强木梁,破坏比较突然且伴随较大声响,其破坏表现为典型的受拉破坏形式,破坏多发生在木节、斜纹或指接等部位(图4(a))。而对于开孔钢板增强木梁,由于受拉边增强钢板的存在,延缓甚至阻止了木梁受拉边的破坏,具体而言,当配筋率较低(如HR组或VR1组试件,配筋率为0.67%)时,部分试件可见木梁受压区的压屈褶皱,其他试件虽然没有观察到压屈现象,但其受拉边破坏也受到增强钢板的很大约束(图4(b)和图4(c)),破坏过程也比较缓和;当配筋率较高(如VR2组试件,配筋率为1.33%)时,增强钢板的约束作用加大,加载后半段首先观察到木梁受压区的压屈褶皱并不断延伸(图4(d)),最终由于木梁变形过大而导致构件破坏。

　　 表2给出了主要试验结果,包括试件的极限荷载、抗弯刚度、破坏时跨中最大位移以及破坏时跨中最大拉应变和破坏形态。由表2可知,增强构件相对于未增强构件的极限荷载、抗弯刚度和跨中截面受拉边的最大拉应变均得以不同程度的提高,破坏时跨中最大位移也有显著增大;同时,利用环氧树脂胶竖嵌增强木梁比采用自攻螺钉平铺增强木梁的效果更好些;此外,配筋率对极限荷载和抗弯刚度也有较大影响。具体如下:利用自攻螺钉平铺1片钢板增强木梁(配筋率为0.67%)的极限荷载和抗弯刚度分别提高26.6%和7.0%;利用环氧树脂胶竖嵌1片钢板增强木梁(配筋率为0.67%)的极限荷载和抗弯刚度分别提高40.2%和25.8%;利用环氧树脂胶竖嵌2片钢板增强木梁(配筋率为1.33%)的极限荷载和抗弯刚度分别提高45.0%和31.2%。

　　 所有试件的荷载-跨中位移曲线及对比如图5所示,由图5可知,未增强木梁的荷载-跨中位移曲线自始至终基本上表现为线弹性;随着配筋率的增加,VR2组试件荷载-跨中位移曲线呈现出更加明显的塑性性能,这主要是由于增强木梁受压区木材的压屈造成的。而由图5(e)可见,增强木梁相对于未增强木梁,其极限荷载、抗弯刚度(体现于曲线斜率)和延性性能均有较大提高。

　　 试件跨中荷载-应变曲线见图6,图中1～5代表贴在梁跨中截面上的应变片序号,其应变变化分别对应图中相应的曲线。结合图6和表2发现,增强试件在破坏时的拉应变和压应变相对于未增强试件均有不同程度的增大,其中拉应变增加10%～20%左右,而压应变最高增加50%左右。由此可得,增强试件在破坏时,木材强度得到了更加充分地利用。

　　 图7给出了木梁跨中截面应变沿高度方向分布情况。可以发现,所有试件的跨中截面应变随荷载增加基本上呈线性分布,说明开孔钢板增强胶合木梁截面应变分布基本符合平截面假定。

　　 利用开孔钢板增强的木梁具有很好的结构性能,开孔钢板使得木梁的结构性能得以明显提高。本文设计的木梁高宽比为3,实际工程尤其是大跨木结构工程中,木梁的高宽比可达6左右,而高宽比越大,增强材料发挥的作用就越大。因此可预见,将开孔钢板用于大跨木梁进行增强具有很好的应用前景。通过本文研究,得到主要结论如下:

　　 (1)开孔钢板的引入改善了木梁的破坏模式。未增强木梁的破坏较为突然,表现为典型的受拉破坏形式,破坏多发生在木节、斜纹或指接等部位;而开孔钢板的存在,使得增强木梁破坏模式逐渐由脆性受拉破坏形式转变为延性的受压屈服破坏形式。

　　 (2)开孔钢板增强试件的结构性能得到显著提高。相对于未增强试件,开孔钢板增强试件的极限荷载和抗弯刚度的提高幅度分别高达约45.0%和31.2%。

　　 (3)开孔钢板的存在使得木材利用率明显提高。破坏时木梁拉应变提高10%～20%左右,而压应变最高提高了50%左右,从而使木材强度得以更加充分地利用。

　　 本文主要针对开孔钢板增强木梁的缩尺试件开展了试验研究。后续工作主要包括:

　　 (1)自攻螺钉锚固方式优化。进一步提高增强钢板的锚固性能,从而提高钢板和木梁的协同工作性能。

　　 (2)除了对钢板锚固方式、配筋率等参数进行分析外,进一步开展木梁截面高宽比对结构性能的影响研究。

　　 (3)足尺木梁开展试验研究和理论分析。基于前期缩尺构件试验及拟开展的足尺试件试验,建立钢板增强木梁承载力计算模型,提出其承载力计算方法。