内置冷弯型钢梁与LVL板组合的创新钢-木组合梁抗弯性能试验研究

《Engineering Structures》：Experimental investigation of the flexural behaviour of innovative steel–timber composite beams featuring built-up cold-formed steel girders and LVL slabs

　　

：对创新钢-木组合梁（STC）的性能进行了试验表征。背靠背冷弯型钢（CF）槽钢被用作主梁。分析了连接件间距对弯曲抗力的影响。计算结果与试验值吻合良好。

创新钢-木组合梁抗弯性能试验研究：论文解读

一、研究背景与意义

钢-木组合（STC）结构作为土木工程领域的新兴解决方案，目前应用实例相对较少，已有文献报道了STC桥梁及学生宿舍楼两个案例。相较于钢-混凝土组合（SCC）体系，采用木面板替代混凝土板的组合梁具有施工周期短、自重显著降低等优势，且木质材料可固存大气中的碳，具有环境效益。然而，STC楼板质量较轻，可能导致对人致振动的敏感性增加，且其固有阻尼通常低于混凝土楼板，可能进一步影响振动性能。尽管如此，已有研究表明此类楼板可应用于体育、办公、住宅及工业建筑。尽管STC结构应用前景广阔，但尚无专门的设计标准。2024年发布的《钢-木-（混凝土）结构技术现状》为相关研究提供了指导。

既有STC梁研究涵盖了承载力、破坏模式、剪力连接、长期性能、与竖向构件的连接、振动行为、理论分析及数值模型等方面。STC梁的楼板可采用层积单板木材（LVL），该材料较实木更均匀，可由小径材生产，由胶合单板组成。楼板也可采用交叉层压木材（CLT）或木基刨花板。木材楼板通过剪力连接件与钢梁连接。已有研究涉及热轧、冷弯（CF）及焊接钢梁，截面形式包括工字形、槽形及U形。剪力连接形式包括螺栓、灌浆套筒螺栓、螺钉、带钉板螺钉、混合锚固螺钉及钢块连接等，既有可拆卸型也有不可拆卸型。

采用CF钢梁的STC梁近期受到关注，轻质CF钢梁可显著降低材料及装配成本。已有研究采用单槽钢梁，其组合梁抗弯承载力较独立槽钢梁提高8.9倍；U形截面梁亦有研究。本文作者提出了一种新型STC梁，采用两根CF槽钢以工字形组合作为主梁。此类方案存在一定缺陷：薄壁截面在受压区易发生局部屈曲，支座处可能发生局部屈服，CF槽钢的几何初始缺陷使装配过程复杂化，纵向连接处的制造公差可能导致支座处承压面不共面，进而引发截面绕纵轴转动。为此，研究人员对STC梁进行了改进，在支座处采用T形支撑元件防止翼缘局部屈服并限制转动，并增设中间缀板，该STC梁已提交专利申请。本文对该创新STC梁进行了试验研究，测试了四组不同剪力连接分布的组合梁。

二、主要技术方法

本研究采用试验研究方法。材料方面，使用STEICO LVL R楼板（苏格兰松和挪威云杉制造，顺纹布置），S350 GD级冷弯槽钢（名义深度150 mm，翼缘宽48 mm，厚1.5 mm），8.8级M10螺栓作为可拆卸剪力连接件。试验包括推出（PO）试验（4个试件，测定连接件承载力、滑移模量等）和四点弯曲试验（8根梁，螺栓纵向间距分别为90、180、240、360 mm，每种间距两根重复试件）。弯曲试验采用Instron 8505 Plus试验机，使用LVDT测量滑移和跨中挠度，ARAMIS 3D相机系统（DIC技术）测量跨中截面应变分布。理论分析采用Gamma法计算弹性抗弯承载力，采用应力块法计算塑性抗弯承载力。

三、研究结果

3.1 推出试验结果

推出试验测得单栓连接件平均承载力为21.0 kN，对应滑移19.7 mm，滑移模量k_0.4和k_0.6分别为6.1和5.2 kN/mm。特征滑移能力s_uk为18.5 mm，大于6 mm，连接件被归类为延性连接。观察到的破坏模式包括螺栓转动和木材压溃、螺栓垫圈嵌入LVL楼板、槽钢翼缘孔洞椭圆化以及木材劈裂。

3.2 弯曲试验结果

弯曲试验获得了荷载-挠度和荷载-端部滑移响应。极限承载力随连接件间距增大而降低：B90梁平均极限荷载约68.0 kN，B180约66.1 kN，B240约60.6 kN，B360约56.3 kN。对应的平均极限抗弯承载力分别为30.6、29.7、27.3和25.3 kNm。L/250挠度限值（10.8 mm）在极限荷载的35-41%时达到。端部滑移随间距增大而增大，B90梁平均端部滑移2.6 mm，B360梁达10.0 mm。滑移沿梁长呈曲线分布，自跨中向端部逐渐增大，符合柔性连接结构的特征。B360梁剪切连接度最低，滑移值最大。

3.3 破坏机制

试验观察到钢构件和LVL楼板及剪力连接件的多种破坏模式。由于槽形截面剪心与荷载平面不重合，产生扭转效应，导致下翼缘间距增大并向外变形，该现象与连接件间距无关。B90梁在约82%极限荷载时首次观察到下翼缘显著变形。B180、B240和B360梁在剪跨区上翼缘出现孔洞椭圆化。跨中纯弯区出现受压翼缘和腹板上部塑性局部屈曲，其程度对组合作用水平高度敏感：组合作用增强使中性轴上移，钢截面受压区减小，屈曲倾向降低。B90梁具有最高的组合作用和最密的侧向约束，未观察到塑性局部屈曲。B180、B240和B360梁分别在92%、88%和88%极限荷载时出现塑性局部屈曲，屈曲严重程度随连接件间距增大而增加。LVL楼板方面，B90梁在极限荷载时出现受压上缘单板局部拱起，随后受拉下缘单板开裂并伴随荷载下降，连接件间出现纵向劈裂裂缝。B180、B240和B360梁均在受拉下缘发生单板开裂，且随间距增大，螺栓拉入LVL和垫圈承压变形加剧。B360梁的钢局部失稳与木材损伤相互作用最为显著。应变分布显示每根梁均存在两个中性轴，表明为部分剪切连接。

四、理论分析与讨论

弹性理论分析采用换算截面法计算完全剪切连接下的弹性抗弯承载力为20.6 kNm。采用Gamma法考虑部分剪切连接效应，计算得到B90、B180、B240和B360梁的弹性抗弯承载力分别为18.1、17.0、16.6和16.0 kNm，与试验弹性值相比偏差在-2%至+4%范围内，吻合良好。理论预测的抗弯刚度较试验值高10-15%，主要与滑移模量的取值有关。Gamma法对应力分布的预测与试验结果较为吻合。塑性理论分析采用应力块法计算完全剪切连接下的塑性抗弯承载力。

五、研究结论

本研究通过试验系统表征了采用内置冷弯型钢梁和LVL楼板的创新钢-木组合梁的结构行为。研究得出以下主要结论：连接件间距对弯曲抗力有显著影响，减小间距可提高承载力和刚度；连接件具有延性特征，滑移能力满足延性要求；增大连接件间距会降低对受压翼缘的侧向约束，促进冷弯型钢的局部屈曲，同时增加滑移和承压变形，导致内力分布不利；Gamma法能够较好地预测弹性抗弯承载力和应力分布，理论计算与试验结果吻合良好。该研究为钢-木组合结构的设计和应用提供了重要的试验依据。