張秀華， 張義卓， 裴 駿， 孟毅豪

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

中國是一個木材資源相對貧乏，而農(nóng)作物秸稈等其他生物質(zhì)資源較為豐富的國家，如何充分高效地利用農(nóng)作物秸稈以及竹材資源，是一個亟待解決的問題[1].中國的秸稈資源在全球秸稈資源總量中占到30%左右，如何有效地利用農(nóng)作物秸稈資源也是解決資源瓶頸的一項新突破點[2].

目前，中國正在大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保綠色建筑材料，稻草板的原料采用農(nóng)作物廢棄物,資源豐富、價格低廉、運輸方便,是一種具有巨大市場潛力的新型節(jié)能環(huán)保綠色建筑材料.建筑用紙面稻草板是以植物秸稈為原料，不添加粘結(jié)劑，不需要切割粉碎，直接在成型機內(nèi)以加熱擠壓的方式形成密實的板坯，并在表面粘上一層“護面紙”而制成的新型環(huán)保建材，是一種實用性與經(jīng)濟性都相當好的建筑材料[3-4].紙面稻草板具有強度良好、抗沖擊能力、保溫和隔音性能以及耐久性好的優(yōu)點，并具有抗燃燒能力，能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)材料的主要性能要求.

輕質(zhì)、環(huán)保是未來建筑發(fā)展的兩大方向.建筑結(jié)構(gòu)中墻體和樓板系統(tǒng)所占質(zhì)量最大，因此有效地控制這2種構(gòu)件的自重對降低建筑結(jié)構(gòu)的自重十分關(guān)鍵[5-6].目前，樓板主要形式有：鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板-混凝土組合樓板、鋼骨輕質(zhì)混凝土樓板、木樓板、鋼-膠合竹(木)組合樓板等.根據(jù)稻草板的力學(xué)性能以及相關(guān)文獻[6-12]，并以受力合理為基本原則，將稻草板與鋼材合理地組合在一起形成鋼-稻草板組合樓板，不僅有效地解決了建筑結(jié)構(gòu)自重問題，豐富了樓板形式，同時還可以緩解目前鋼材、木材等建筑材料供應(yīng)上的緊張局勢.

結(jié)合紙面稻草板在建筑工程中的應(yīng)用和發(fā)展，本文提出了一種新型組合樓板形式，即把建筑用紙面稻草板覆蓋在壓型鋼板表面，兩者之間用自攻螺釘連接，從而得到一種新型的壓型鋼板-稻草板組合樓板.因此，合理地利用紙面稻草板和壓型鋼板，不僅能夠充分發(fā)揮這2種材料的性能，而且具有深遠的社會意義和經(jīng)濟效益.

通過對壓型鋼板-紙面稻草板組合樓板進行抗彎試驗研究，可以得到組合樓板的力學(xué)性能及特點.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試件為6塊板，編號為S1～S6；試件平面尺寸為2.1m×0.6m，跨度為1.8m.其中S1～S5為壓型鋼板厚度和螺釘間距不同的壓型鋼板-稻草板組合樓板，其截面見圖1；S6為壓型鋼板，厚度為1.2mm，截面尺寸如圖2所示.組合樓板中的稻草板采用建筑用紙面稻草板(簡稱稻草板)，由哈爾濱天成順杰實業(yè)有限公司生產(chǎn).稻草板表面平整，厚度為58mm，密度為230～310kg/m3；用75kg砂袋，在2m高度自由下落沖擊稻草板，板不損壞，抗沖擊性能較好，耐火極限大于1h，單面隔音量達30dB.下部壓型鋼板型號是YX75-200-600，厚度0.8～1.2mm，波高75mm，壓型鋼板材質(zhì)為Q235鋼，由大型專業(yè)鋼板廠家生產(chǎn).稻草板與壓型鋼板之間采用ST 4.8級直徑為4mm的自攻螺釘進行連接.組合樓板S1～S5的具體參數(shù)見表1.

圖1 壓型鋼板-稻草板組合樓板截面形式Fig.1 Section form of steel-strawboard composite slab(size:mm)

圖2 壓型鋼板截面尺寸Fig.2 Section size of profiled steel sheet(size:mm)

Sample Profiled steel sheet thickness/mmStrawboardthickness/mmComposite slab thickness/mmBoltspace/mmS10.858133210S21.058133210S31.258133210S40.858133280S51.058133280

制作壓型鋼板-稻草板組合樓板時，要先用酒精對壓型鋼板表面進行清洗，以保證鋼板表面光滑和整潔；稻草板表面要進行除塵，以避免粘貼應(yīng)變片時造成影響.連接稻草板與壓型鋼板時，要先確定好稻草板與鋼板的相對位置，2塊板中心對齊后再安裝自攻螺釘.

1.2 稻草板材料性能

紙面稻草板由硬牛皮紙面和稻草秸稈內(nèi)芯組成，為各向異性材料，稻草秸稈在平行于板寬度方向呈人字形排列.材性試驗與組合樓板抗彎試驗中所用稻草板取自于同一廠家、同一批次的稻草板.抗壓試件的設(shè)計與試驗根據(jù)GB/T 31264—2014《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗方法》進行.

首先設(shè)計5個尺寸均為150mm×150mm×58mm 的試件進行抗壓試驗，以研究板長度方向的抗壓力學(xué)性能.再對5塊跨度1.8m，寬0.6m的紙面稻草板進行足尺抗彎試驗，得到其抗彎力學(xué)性能指標.試驗結(jié)果表明，稻草板抗壓強度、抗彎強度和彈性模量的實測值具有一定的離散性，紙面稻草板材料性能見表2.

表2 紙面稻草板材料性能

1.3 試驗方案及測試內(nèi)容

本試驗加載方式采用兩點對稱加載，加載位置在試件三分點處，試件兩端均為簡支，支點距板端部150mm.試驗時一端采用固定鉸支座，另一端采用滾動鉸支座，豎向加載采用最大量程為16t的手動千斤頂，兩點集中荷載通過分配梁傳遞到剛度較大的墊板，并通過墊板傳給組合樓板.荷載通過與千斤頂相連的壓力傳感器來測量，如圖3所示.

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading set-up

試驗加載采用分級加載方式，每級施加集中荷載0.8kN，當?shù)酌鎵盒弯摪迩?，采用位移控制繼續(xù)加載，每級位移為2mm.由于組合樓板的延性較好，壓型鋼板屈服后能夠繼續(xù)承受荷載，當荷載趨于穩(wěn)定后終止試驗.

為得到組合樓板試件內(nèi)部的應(yīng)變變化情況，在組合樓板中部稻草板上下表面、壓型鋼板上、下翼緣以及中間肋部粘貼應(yīng)變片，如圖4所示.應(yīng)變采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集.

圖4 應(yīng)變片布置Fig.4 Arrangement of strain gauges(size:mm)

試件的變形采用位移計測量，在每個試件跨中截面布置2個位移計，在支座截面各布置1個位移計，以準確測量組合樓板的變形.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗過程及破壞特征

由于篇幅所限，以試件S1，S3為例進行分析.

當試件S1集中荷載加到5.4kN時，組合樓板的跨中撓度為6.0mm，稻草板開始出現(xiàn)明顯的“嘶嘶”聲，持續(xù)時間一般在15min左右，伴隨著試驗的整個過程.出現(xiàn)這種聲音的原因是稻草板內(nèi)部開始進行內(nèi)應(yīng)力的重新分布，紙面與稻草之間的膠層開始脫離.因此試驗過程中分級加載的時間間隔很長，要充分地使組合樓板內(nèi)應(yīng)力進行重新分布，才能進行下一級加載，即要等聽到的“嘶嘶”聲完全消失后才能進行下一級加載.當集中荷載為7.0kN時，組合樓板跨中撓度為7.0mm，滿足GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》限值7.2mm(l/250)和JGJ 227—2011《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》限值9.0mm(l/200)要求，稻草板表面則出現(xiàn)明顯的“褶皺”現(xiàn)象，如圖5所示.當集中荷載為11.2kN時，組合樓板跨中撓度為13.0mm，壓型鋼板上翼緣開始發(fā)生局部屈曲，試件因承載力不足發(fā)生破壞，跨中壓型鋼板發(fā)生屈曲破壞，如圖6所示.觀察和分析壓型鋼板-稻草板組合樓板的破壞性加載試驗過程可以得知，壓型鋼板屈曲后，組合樓板的承載力下降，板的豎向撓度也相應(yīng)增大.

圖5 試件S1中的稻草板表面褶皺Fig.5 Strawboard surface fold in sample S1

圖6 試件S1中的壓型鋼板屈曲Fig.6 Buckling of profiled steel sheet in sample S1

當試件S3集中荷載加到11.8kN時，其跨中撓度為6.5mm，稻草板開始出現(xiàn)“嘶嘶”聲，持續(xù)時間在 15min 左右，等這種聲音完全消失再進行下一級加載.當集中荷載加到13.4kN時，試件S3的跨中撓度為7.0mm，滿足GB 50005—2003中限值7.2mm(l/250)和JGJ 227—2011中限值9.0mm(l/200)要求，稻草板表面則開始出現(xiàn)“褶皺”現(xiàn)象.當集中荷載加到27.8kN時，試件S3的跨中撓度達到17.5mm，稻草板表面出現(xiàn)明顯的“褶皺”現(xiàn)象，壓型鋼板屈曲，組合樓板發(fā)生較明顯的整體彎曲變形，如圖7所示.

圖7 試件S3的破壞Fig.7 Compressive failure of sample S3

試件S6為壓型鋼板，當荷載達到19.8kN時，其跨中撓度達到21.0mm，壓型鋼板開始發(fā)生局部屈曲，此時破壞發(fā)生在三分點施加集中荷載的位置上，如圖8所示.

圖8 試件S6的破壞Fig.8 Buckling of sample S6

2.2 荷載-撓度曲線及分析

試件S1～S6荷載-撓度關(guān)系曲線如圖9所示.試驗結(jié)果表明，從開始加載到破壞的整個試驗過程中，組合樓板大致經(jīng)歷了3個階段：彈性階段、彈塑性階段和荷載下降階段.

圖9 荷載-撓度曲線Fig.9 Deflection-load curves

從圖9可以看出：在彈性階段，壓型鋼板屈服之前，荷載-撓度曲線基本呈現(xiàn)直線變化，而且不同螺釘間距組合樓板的荷載-撓度曲線幾乎一致，表明組合樓板在彈性階段的抗彎剛度與屈服荷載基本不受螺釘間距與數(shù)量影響；試件進入彈塑性階段后，壓型鋼板上翼緣開始屈曲，荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯的拐點，隨著荷載增大，跨中撓度相應(yīng)增大，但荷載-撓度曲線還是呈現(xiàn)直線變化，這是因為試件內(nèi)部組織滑動后，晶粒重新排列，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力重新分布，彈性并未完全喪失，此時的最大荷載即為試件所能承受的極限荷載.當荷載超過構(gòu)件的極限荷載后，試件進入荷載下降階段，跨中荷載-撓度曲線突然下降，導(dǎo)致鋼板發(fā)生局部屈曲破壞，進而引起整個結(jié)構(gòu)的整體破壞.這個階段發(fā)生初期，組合樓板承載力急劇下降，當下降到一定的程度(約為極限承載力的60%左右)時，由于撓度愈來愈大，稻草板與鋼板的結(jié)合越來越“緊密”，導(dǎo)致荷載最后趨于平穩(wěn)，表明稻草板對于整個結(jié)構(gòu)而言，加大了組合樓板的抗彎承載力，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞后起到了很好的保護作用，避免了由于壓型鋼板的屈曲破壞導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)完全喪失承載力，表明壓型鋼板-稻草板組合樓板具有良好的抗震性能.

從圖9中還可以看出：試件S1，S3和S4這3種組合樓板在某一階段內(nèi)出現(xiàn)了承載力突然急劇升高的現(xiàn)象.這是因為在試驗初期，荷載與變形較小的階段里，組合樓板的受力基本上由壓型鋼板承擔，稻草板與螺釘并未完全緊密地連接在一起，稻草板并沒有完全參加工作.而隨著荷載的加大，組合樓板變形增大，這時稻草板與壓型鋼板緊密結(jié)合，完全參與受力，導(dǎo)致整體構(gòu)件表現(xiàn)出承載力急劇增大的現(xiàn)象.試件S1與S4荷載突變出現(xiàn)在荷載下降階段中，這是由于組合樓板中壓型鋼板上翼緣局部屈曲變形大，導(dǎo)致稻草板與壓型鋼板上翼緣脫開，此時荷載只能由稻草板單獨承擔；隨著變形增大，當?shù)静莅迮c壓型鋼板再次緊密結(jié)合時，承載力又繼續(xù)增加.試件S3荷載突變出現(xiàn)在彈性階段中.從理論上來分析，試件變形越大，稻草板與壓型鋼板通過自攻螺釘連接結(jié)合的效果越好，但由于受到材料內(nèi)部因素的影響與手工制作的原因，導(dǎo)致荷載突變這一現(xiàn)象出現(xiàn)在不同階段.在整個試驗過程中螺釘起到了很好的連接作用，能保證鋼板和稻草板協(xié)同工作，當試件達到極限承載力后，壓型鋼板局部屈曲越來越嚴重，板跨中位置僅個別自攻螺釘從稻草板中拔出，但螺釘沒有發(fā)生破壞.

在壓型鋼板屈服之前，荷載-撓度曲線上升趨勢基本一致，稻草板起到一定的限制撓度的作用，但是效果不是很明顯.而當繼續(xù)加載后，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)，當?shù)静莅迮c鋼板緊密結(jié)合后，大大增加了整體結(jié)構(gòu)的承載力，在很大程度上減小了構(gòu)件的豎向位移，表明稻草板在組合過程中起到了至關(guān)重要的作用，將壓型鋼板與稻草板組合成組合樓板是可行的，此種組合樓板的力學(xué)性能能夠滿足作為建筑結(jié)構(gòu)樓板的需要.

考慮到底部的壓型鋼板對組合樓板抗彎承載力起到的重要作用[13-14]，本文定義組合樓板跨中底部壓型鋼板開始屈服時所對應(yīng)的荷載為屈服荷載，并把它作為彈性階段和彈塑性階段的分界點.根據(jù)試驗結(jié)果得到5塊壓型鋼板-稻草板組合樓板和1塊壓型鋼板的屈服荷載(Py)、單位面積的屈服荷載(qy)、極限荷載(Pmax)、單位面積的極限荷載(qmax)、壓型鋼板屈服時跨中屈服位移(Δy)及極限荷載所對應(yīng)的最大位移(Δmax)，見表3.

由于本試驗采用三分點加載方式來模擬均布荷載，與在板上施加均布荷載有一定的區(qū)別，根據(jù)2種受力情況下板跨中撓度相等的原則，可以把集中荷載換算成均布荷載.

根據(jù)材料力學(xué)，簡支板在均布線荷載q作用下的跨中撓度計算公式為：

(1)

式中：Δ為組合樓板的跨中撓度，mm；q為均布荷載，kN·m-2；l為板的跨度，m；E為組合板的彈性模量，MPa；Ix為組合樓板的慣性矩，mm4.

簡支板在三分點集中荷載P作用下的跨中撓度計算公式為：

(2)

式中：P為集中荷載值，kN.

聯(lián)立式(1)，(2)可以得到組合樓板上均布面荷載q0:

(3)

式中：q0為試驗得到的組合樓板上均布荷載，kN·m-2；b為板的寬度，m.

表3 試件試驗結(jié)果

對于1個組合構(gòu)件而言，其連接方式是影響構(gòu)件承載力的主要因素之一.由表2可知：試件S1(S2)與S4(S5)相比，雖然試件S1(S2)的螺釘數(shù)量比試件S4(S5)的螺釘數(shù)量多出1/4，但試驗結(jié)果表明螺釘間距對組合樓板承載力的影響較小，螺釘在整個組合結(jié)構(gòu)中只起到連接作用.

由表3可知：試件S2中的鋼板厚度比試件S1大0.2mm，其極限荷載是試件S1的1.55倍；試件S3中的鋼板厚度比試件S2大0.2mm，其極限荷載是試件S2的1.59倍.按照達到GB 50005—2003和JGJ 227—2011的跨中撓度限制要求，試件S1，S3，S5的正常使用極限荷載為8.8，20.8，11.9kN/m2，分別約為其極限荷載的62.5%，59.0%和56.6%.因此，提高組合樓板剛度，以滿足正常使用極限狀態(tài)要求是非常重要的.

試驗結(jié)果表明，壓型鋼板的厚度每增加0.2mm，組合樓板的極限承載力增加約60.0%左右.因此增加底部壓型鋼板的厚度可以有效提高組合樓板的極限承載力.

通過對比分析組合樓板試件S3與壓型鋼板試件S6可以發(fā)現(xiàn)，稻草板能夠提高組合樓板約1/3的承載力.

2.3 荷載-應(yīng)變曲線及分析

試件S5的荷載與跨中截面應(yīng)變關(guān)系曲線如圖10所示.

圖10 試件S5的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.10 Load-strain curves of sample S5

從圖10中可以看出：試驗中稻草板底面應(yīng)變與和其相連壓型鋼板上翼緣應(yīng)變很接近，說明壓型鋼板-稻草板組合結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)良好.當組合樓板因承載力不足而破壞時，壓型鋼板上、下翼緣的應(yīng)變基本達到2.0mm·m-1，表明鋼板已達到屈服強度，材料強度得到了充分發(fā)揮.其他試件的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線與S5類似.試驗結(jié)果表明，壓型鋼板上翼緣始終處于受壓狀態(tài)，這說明在整個試驗過程中稻草板全截面始終受壓，充分發(fā)揮了稻草板抗壓能力強的優(yōu)點，避免了稻草板受到拉應(yīng)力的作用，表明稻草板和壓型鋼板組合使用是合理可行的.

3 理論分析

3.1 剛度及撓度計算

試驗結(jié)果表明，組合樓板在正常使用階段，稻草板及壓型鋼板均處于彈性變形狀態(tài).此時，組合樓板中的稻草板與壓型鋼板間組合效應(yīng)良好，整體工作性能突出，2種材料在相交界面處的應(yīng)變變化基本相同，在理論計算時可以將稻草板與壓型鋼板看成一個整體按彈性整體構(gòu)件進行計算，采用截面換算法將組合樓板等效為純鋼構(gòu)件.

根據(jù)材料力學(xué)，組合樓板抗彎剛度可按式(4)計算：

EIx=EdId+EsIs

(4)

式中：Ed為稻草板的抗彎彈性模量，MPa；Id為稻草板對組合板中和軸的慣性矩，mm4；Es為鋼板的彈性模量，取2.06×105MPa；Is為壓型鋼板對組合板中和軸的慣性矩，mm4.

將式(4)中得到的組合樓板抗彎剛度代入式(5)，求出組合樓板跨中撓度：

(5)

表4為組合樓板達到屈服強度時撓度的理論計算值、試驗值以及它們的比值.

表4 壓型鋼板-稻草板組合樓板撓度值

從表4中可知：理論撓度值與試驗值的誤差在±20%以內(nèi)，所以在線性階段可以用式(5)來計算壓型鋼板-稻草板組合樓板的撓度.

3.2 組合樓板抗彎承載力計算

試驗結(jié)果表明，壓型鋼板-稻草板組合樓板的整體性良好，兩者能夠協(xié)同變形.因此組合樓板破壞時，壓型鋼板上、下翼緣應(yīng)力均已達到屈服強度.對組合樓板的破壞截面應(yīng)力狀態(tài)作如下假定：

(1)試件破壞時，壓型鋼板上、下翼緣達到鋼材的屈服強度，屈服強度取235N·mm-2.

(2)試件達到極限狀態(tài)時，稻草板與鋼板中連接處的應(yīng)變相等，并保持彈性，稻草板的應(yīng)力σd=fysEd/Es.

(3)不考慮壓型鋼板腹板的影響.

根據(jù)上述假定條件可以得出壓型鋼板-稻草板組合樓板正截面抗彎承載力M的計算公式；組合樓板截面形式如圖11所示.

圖11 組合樓板截面形式Fig.11 Section form of composite slab

(6)

式中：fys為壓型鋼板的屈服強度，N·mm-2；As為壓型鋼板受拉區(qū)的面積，mm2；Ad為稻草板的面積，mm2；φ為壓型鋼板的整體穩(wěn)定系數(shù)，φ取1.0；σd為破壞階段稻草板彎曲應(yīng)力，N·mm-2；hs為壓型鋼板波高，mm；hsc為壓型鋼板受壓翼緣到組合板中和軸的距離，mm；hd為稻草板厚度，mm.根據(jù)式(6)計算試件S1～S5的承載力，見表5.

表5 壓型鋼板-稻草板組合樓板正截面抗彎承載力

運用式(6)計算理論值時沒有考慮腹板的作用，所以從理論上講理論值應(yīng)該小于試驗值.但從表5中可以看出，試件S1與S4的試驗值小于理論值，這是因為稻草板與0.8mm厚的壓型鋼板在彈性階段結(jié)合情況不好，稻草板在彈性階段沒有發(fā)揮較大的作用，但理論撓度值與試驗值的誤差為10%～20%，建議可以采用式(6)來計算組合樓板的抗彎承載力.

4 結(jié)論

(1)將壓型鋼板與稻草板采用一定數(shù)量的螺栓連接形成的組合樓板在整個受力過程中表現(xiàn)出了良好的組合效應(yīng)，在正常使用荷載作用下其撓度值處于規(guī)范所允許的范圍內(nèi)，可以作為土木建筑樓板使用.

(2)從荷載-撓度曲線看出，壓型鋼板-稻草板組合樓板在其正常使用條件下的承載力應(yīng)由其變形條件控制.

(3)壓型鋼板-稻草板組合結(jié)構(gòu)破壞時，壓型鋼板受壓翼緣屈服，壓型鋼板受拉應(yīng)力作用區(qū)域已達到極限狀態(tài)，稻草板與壓型鋼板能夠協(xié)同變形，應(yīng)變相同，并始終保持一定的彈性.在連接情況良好的狀態(tài)下，本文提出的組合樓板正截面抗彎承載力和撓度計算方法是可行的.

(4)稻草板在整個試驗過程中始終處于受壓區(qū)，能充分發(fā)揮其材料特性，對于整個結(jié)構(gòu)承載力的提升與減小構(gòu)件的變形都起到至關(guān)重要的作用.

(5)壓型鋼板-稻草板組合結(jié)構(gòu)具有很高的承載力和剛度，具有良好的延性，其力學(xué)性能可以滿足建筑結(jié)構(gòu)樓板的要求.