木材作为传统建筑材料,绿色环保、低碳节能、强重比(强度/比重)高、能耗低,由其修建的木结构房屋具有抗震性能好、自然亲和力等优点,以致木结构具有悠久的历史,至今仍被广泛使用。但木材相对混凝土、钢材等其他建筑材料而言,强度较低,且易受温度、湿度和环境腐蚀等多种因素的影响,随时间增长木材各项强度指标降低,且易出现开裂、蠕变等材质劣化问题 ^[1]。为此,近年来通过与其他材料组合以加强和提高木材的强度,增强木柱、木梁等构件的承载力性能成了热点研究问题,众多学者提出了各种提高木柱承载力性能的方法。Ali Awaludin等 ^[2](2015年)将Z,C形钢与木材进行组合形成了钢木组合受压杆件,进行受压性能试验,结果表明,在型钢中加入木材可有效地提高杆件的竖向承载力,并避免型钢出现局部屈曲和弯扭屈曲。Tohid Ghanbari Ghazijahani等 ^[3,4](2015年)进行了内填木材,外包碳纤维层矩形、圆形钢管构件的受压性能试验,结果表明,内填木材很好地改善了钢管的向内局部屈曲,外包纤维很好地改善了短柱发生屈曲。Alexander J Mainey等 ^[5](2015年)提出了一种新型玻璃纤维-木C形薄壁组合受压构件,进行了与普通木C形薄壁构件抗压性能对比试验,结果表明,在C形薄壁木构件外表面粘贴碳纤维层,可以提高构件的弹性屈曲荷载。Joseph M Gatta等 ^[6](2018年)提出了将纤维增强聚合物(FRP)与木薄板组合形成纤维聚合物-木复材折叠(FHFT)空心柱,并进行了受压承载力试验,结果表明,纤维聚合物-木复材折叠(FHFT)空心柱承载力是相同纯木构件承载力的两倍。邵劲松、刘伟庆等 ^[7](2012年)进行了FRP加固木柱的轴心抗压试验,结果表明,FRP横向加固木柱可提高木柱的抗压承载力,改善木柱的延性。梁危等 ^[8](2014年)采用碳纤维布、芳纶纤维布环向和螺旋约束方木柱,形成复合方木柱,进行了该复合木柱的轴向抗压性能试验,结果表明,由于FRP的横向约束,木柱的延性得到改善。Wang Lu等 ^[9,10](2014年)采用高强玻璃纤维与泡桐木,通过真空导入成型工艺,制备出具有高性价比的新型复合材料环形夹芯柱,并对其进行了轴压性能试验和承载力理论研究。刘涛、李玉顺等 ^[11](2016年)提出在两槽形钢翼缘外侧粘贴竹胶板形成组合箱形柱,进行了该钢-竹组合箱形短柱的轴压承载力试验,结果表明,钢-竹组合箱形短柱具有良好的力学性能。冷远、刘伟庆等 ^[12](2017年)指出复合材料-木芯组合柱柱端、柱身开孔等会使组合柱长时间处于潮湿状态,容易导致木材腐烂,从而降低组合柱的长期受力性能,在此基础上提出了真空导入制作工艺,并制作了复合材料-木塑料组合柱,并对其进行了轴压性能试验和理论分析,结果表明,该柱相对于现有复合材料-木芯柱具有更好的受力性能和耐久性,玻璃纤维复材(GFRP)对组合柱产生了横向约束作用,在轴向受压情况下表现出很好的延性。赵卫锋等 ^[13](2018年)对所提出的薄壁型钢管/胶合竹板复合空芯柱进行了低周反复拟静力试验,结果表明该柱具有较好的弹性变形能力和抗震耗能性能。

　　 上述研究中,诸多学者提出了在木柱外围包裹或粘贴碳纤维布或其他材料以提高木柱受压承载力和受力性能,均因在木柱受压后,受到了外包FRP等材料的约束,而提高了木柱的承载力或受力性能。这种约束为被动约束,试验结果也表明,该约束对木柱的受压承载力和受力性能提高有限。为探索采用主动约束的方式以提高木柱的受压承载力和受力性能,本文提出了预应力薄壁钢约束方木柱的概念,进行了预应力薄壁钢约束方木柱的轴心抗压试验。获得了预应力薄壁钢约束方木柱的轴心抗压强度、耗能性能、荷载-位移关系曲线和荷载-应变关系曲线。

　　 所提出的预应力薄壁钢约束方木柱,是将1.2mm厚的薄壁钢加工成为四个带施加预应力螺栓孔边带的角钢状薄壁钢,外包于木柱外围,然后通过拧紧穿过螺栓孔的对拉螺栓对薄壁钢施加主动约束预应力,以形成薄壁钢约束方木柱(图1),提高木柱的受压承载力和性能。为提高预应力薄壁钢约束方木柱的的耐久性,可在薄壁钢外围外包木塑材料或低强度木材以形成保护层,提高木柱的耐久性和使用寿命。

　　 试验木柱材料为加勒比松,干燥后加工为方木柱,其顺纹抗压强度为45.2MPa,抗拉强度为114.8MPa,抗弯强度为117.1MPa,抗剪强度为8.4MPa。薄壁钢为Q235钢材。试验构件设计如下:试件A-1,A-3为未施加约束的纯木方柱,试件A-2,A-4为薄壁钢约束方木柱,分别通过对拉螺栓对试件A-2,A-4施加约10MPa的预应力。试验试件尺寸和详细参数如表1所示。

　　 为测定木柱截面的轴向和横向的应变,在每一试件木柱的每个侧面中点按成90°方向分别粘贴轴向和横向应变片。同时在预应力薄壁钢约束方木柱试件A-2,A-4中间截面的薄壁钢表面粘贴横向应变片,以测定预应力施加大小和试验过程中薄壁钢所产生的横向应变。

　　 试验在万能试验机(图2)上进行,按照《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2002) ^[14]中的规定实施加载。先对试件进行预加载,预载至每一木柱试件预估标准荷载60%;然后进行正式加载,采用位移控制加载速度,加载速度为0.03mm/s;加载至每一木柱试件出现明显的破坏形态时卸载。

　　 未采用预应力薄壁钢约束的纯木方柱试件A-1,A-3,在荷载加至极限荷载的40%～60%时,开始发出“啪啪”的响声;随着荷载的增加,裂纹明显,声音更加巨大;继续加载至极限荷载时,试件中上部沿着顺纹方向逐渐压坏,并产生横向和轴向的裂缝,最后由于试件顶部木纤维的压溃,试件破坏失效。预应力薄壁钢约束方木柱试件A-2,A-4,均在荷载加至极限荷载的50%～70%时,开始发出劈裂声;随着荷载的增加,试件中上部逐渐发生侧向弯曲;继续加载至极限荷载时,由于试件顶部预应力薄壁钢胀裂和严重屈曲变形而破坏。试件破坏形态如图3所示。

　　 通过试验获得了试件A-1～A-4的荷载-纵向位移关系曲线,见图4。由图4可以看出,纯木方柱试件A-1极限轴心抗压承载力为162.65kN,相同截面尺寸的预应力薄壁钢约束方木柱试件A-2的极限轴心抗压承载力为238.97kN,相对于纯木方柱试件A-1,试件A-2极限轴心抗压承载力提高了46.92%;纯木方柱试件A-3极限轴心抗压承载力为265.49kN,相同截面尺寸的预应力薄壁钢约束方木柱试件A-4的极限轴心抗压承载力为412.24kN,相对于纯木方柱试件A-3,试件A-4极限轴心抗压承载力提高了55.27%。试验结果表明,对纯木方柱实施预应力薄壁钢约束,可以有效地提高其轴心抗压承载能力。

　　 对比纯木方柱试件和预应力薄壁钢约束方木柱试件的荷载-纵向位移关系曲线可发现,预应力薄壁钢约束方木柱试件A-2,A-4的荷载-位移关系曲线上升段斜率,相对于相同截面尺寸纯木方柱试件A-1,A-3的荷载-位移关系曲线上升段的斜率有较明显的提升,说明预应力薄壁钢的主动约束明显提高了木柱的轴心受压刚度。纯木方柱试件A-1,A-3达到极限荷载后,承载力急剧下降,承载力降低明显;下降到极限荷载的72%左右时,曲线基本呈水平状缓慢下降直至试件破坏,破坏时轴向压缩变形量分别为16mm和17mm。薄壁钢约束方木柱试件A-2,A-4荷载-位移关系曲线呈抛物线形,达到极限荷载后承载力相对纯木方柱试件下降平缓,下载至极限荷载的79%时,曲线基本呈水平状缓慢下降直至试件破坏,破坏时轴向压缩变形量分别为24mm和23mm。因此,预应力薄壁钢约束方木柱相对纯木方柱,可以有效地限制纯木柱承载力突然下降,具有更高的延性。

　　 荷载-纵向位移曲线与X轴所围面积代表木柱在破坏过程中所吸收的能量 ^[15]。通过计算:纯方木柱试件A-1,A-3吸收能量分别为1 884J和3 014J,薄壁钢约束方木柱试件A-2,A-4吸收能量分别为4 310J和7 161J,相对于相同截面尺寸的纯木方柱试件A-1,A-3分别提高了125.3%和137.59%。说明预应力薄壁钢约束方木柱具备更高的耗能能力,可保证木柱在其承载和破坏过程中的稳定性,并提高木柱的承载力性能。

　　 通过试验获得试件A-1～A-4的侧边应变数据,经整理形成了如图5所示荷载-应变曲线。

　　 分别对比试件A-1,A-2和试件A-3,A-4在相同荷载下的轴向应变和横向应变可以发现,由于预应力薄壁钢对内侧的木柱提供了有效的环向约束,在承受相同轴心荷载作用下,木柱的轴向应变和横向应变均明显减小,以致木材在相同应变的情况下承受更大的荷载,从而提高木柱的轴心受压承载力。

　　 试验结果表明,预应力薄壁钢约束方木柱具有相对于纯木柱较高的轴心抗压承载力,为此也有必要探索并提出其轴心抗压强度计算公式。AI-Salloum Y A ^[16]根据混凝土圆柱在主动静水压力约束下的强度模型,提出了方柱在侧向约束力下的轴心抗压强度公式:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{c}\text{c}}=f{}_{\text{c}\text{o}}+3.14\frac{b}{D}f{}_l(1)\\ f{}_l=\frac{2f{}_{\text{t}}t}{D}\cdot k{}_{\text{e}}(2)\\ k{}_{\text{e}}=1-\frac{2}{3}\left[\frac{\left(1-2\frac{r}{b}\right){}^2}{1-(4-\text{π})\left(\frac{r}{b}\right){}^2}\right](3)\end{array}$

　　 式中:f_cc为有侧向约束力时方柱的轴心抗压强度;f_co为无侧向约束力时方柱的轴心抗压强度;f_l为侧向约束压应力;f_t为外侧约束材料拉应力;D为柱横截面对角线长度;k_e为形状系数,取决于柱横截面短边尺寸b和倒角半径r(图6);t为外侧约束材料厚度。

　　 混凝土和木材两种材料的受压本构关系如图7所示。由图7可知,混凝土和木材在受压状态下本构模型除上升段处存在差异外,屈服后都是平行于横坐标的直线。因此,在进行有横向约束力作用下木材的抗压强度计算时,可以借鉴已有约束混凝土柱的模型。

　　 AI-Salloum Y A ^[16]所提出的计算公式(式(2))是针对方柱截面存在倒角r时的情况,不适用于本文所提出的预应力薄壁钢约束方木柱,由于本文试件均为方柱,根据f_l的物理意义及截面的对称性,可根据图8所示受力平衡计算f_l,其公式推导如下:

　　 由∑F_x=0可得,2f_tt-f_lb=0,则

　　 $f{}_l=\frac{2f{}_{\text{t}}t}{b}(4)$

　　 式中:f_t为薄壁钢产生的拉应力; b为方木柱边长。

　　 通过试验测得,试件A-2的极限荷载为238.968kN,其轴心抗压强度为66.38MPa;试件A-4的极限荷载为412.238kN,轴心抗压强度为64.41MPa。

　　 薄壁钢的弹性模量E=200×10³MPa,试验测得试件A-2,A-4的预应力薄壁钢极限应变分别约为1 500×10^-6和1 550×10^-6,可根据f_t=Eε计算得试件A-2,A-4预应力薄壁钢的拉应力为300MPa和310MPa。根据式(4)可得试件A-2,A-4由于预应力薄壁钢产生的约束压应力分别为12.32MPa和9.3MPa;再根据式(1)可计算得到试件A-2,A-4 的轴心抗压强度分别为71.82MPa和62.13MPa,对比试件A-2,A-4的试验结果,其相对误差分别为8.2%和3.54%。由此说明,对于预应力薄壁钢约束方木柱,可以采用式(1)和式(4)计算其轴心抗压强度。

　　 (1)预应力薄壁钢约束方木柱通过预应力薄壁钢提供的主动约束而使木柱轴心抗压强度得到了较为明显的提高,且可以改善纯木柱的轴向承载力性能,延缓其承载力的下降,使其具有更好的延性和耗能能力。

　　 (2)预应力薄壁钢约束方木柱的轴向应变和横向应变相对于纯木方柱均明显减小,以致木材在相同应变的情况下承受更大的荷载,提高了木柱的轴心受压承载力。

　　 (3)对于本文提出的预应力薄壁钢约束方木柱,可采用式(1)和修正的式(4)计算其轴心受压状态下的轴心抗压强度。