不同材料组成和拼接配置的MPC拼接glubam梁的弯曲性能

《Structures》：Flexural performance of MPC-spliced glubam beams with different material compositions and splice configurations

胶合竹梁金属板齿连接器拼接性能研究通过实验、分析与模拟发现外层拼接有效提升拉伸传递，内层拼接保持应变协调，模型和模拟验证了拼接配置、材料组合及对齐对性能的关键影响，为可持续长跨结构设计提供依据。

　　

郭伟昌|肖子凌|邓俊远|王碧斌|肖燕|穆罕默德·阿德尔

浙江大学土木工程学院，杭州310058，中国

摘要

胶合层压竹材（Glubam）作为一种可持续且高性能的工程建筑材料已经崭露头角。然而，其在长跨度结构中的应用仍受到制造和运输限制的阻碍，这需要高效的拼接解决方案，例如齿形金属板连接器（MPCs）。本研究通过实验、分析和数值模拟相结合的方法，研究了MPC拼接的Glubam梁的弯曲性能。对未拼接梁以及内层或外层有拼接的梁进行了全面的四点弯曲试验，这些梁采用了薄条、厚条和复合薄/厚条层压结构。结果表明，MPC拼接是一种有效的制造长跨度Glubam梁的方法，且组件相对模块化。虽然与未拼接梁相比，其刚度和极限承载能力有所下降，但在薄条层压材料中观察到显著的延性提升（>200%），复合梁也有中等程度的改善，而厚条层压材料的延性提升有限，这是由于以分层断裂为主的破坏模式。应变测量和数字图像分析显示，外层拼接主要依靠MPCs传递拉力，而内层拼接保持了更高的应变一致性。基于跨中截面分析的解析模型被建立起来，以提供弯曲刚度和极限弯矩的保守估计，这些估计与实验数据吻合良好。有限元模拟进一步再现了整体载荷-变形响应、层间应力传递和渐进式破坏机制，包括MPC断裂和层压材料分层。这些发现表明，拼接配置、层压材料组成和连接器对齐方式对Glubam梁的弯曲行为有重要影响，为基于性能的MPC拼接梁的设计和优化提供了宝贵的见解。

引言

竹材作为一种可持续的生物基建筑材料，因其生长周期快、可再生性和极低的碳足迹而受到越来越多的认可。与传统建筑材料相比，它具有多个显著优势，包括低密度、加工能耗低、优异的加工性能以及良好的强度重量比[1]、[2]。这些特性历史上支持了其在亚洲地区的住房、脚手架和其他临时结构中的应用。特别是在中国，丰富的竹资源及其深厚的文化意义为现代工程竹结构系统的发展奠定了坚实基础[3]。然而，原始竹材的固有异质性、各向异性和耐久性问题限制了其在现代工程建筑中的更广泛应用。

为了解决这些问题，已经开发了几种工程竹制品，包括层压竹材（plybamboo）和胶合层压竹材（glubam），这些产品具有更好的尺寸稳定性、更均匀的机械性能和标准化的几何形状。其中，由肖等人[2]、[4]首次提出的胶合层压竹材（glubam）是一个重要的突破。Glubam是通过将薄条或厚条竹材按单向或多向排列，用粘合剂粘合，并在受控温度和压力下热压成标准化的面板（通常厚度为30毫米）来制造的[4]、[5]。为了制造Glubam结构构件，这些面板随后被切割，用酚醛树脂层压，然后冷压以产生性能一致的构件。

Glubam表现出良好的机械性能，同时相比传统建筑材料（如混凝土）具有显著更低的环境足迹[4]、[5]。大量研究系统地表征了Glubam的优越材料性能，包括其在不同加载条件下的准静态强度、抗蠕变性和抗冲击性以及长期耐久性[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。许多关于Glubam结构构件的实验和分析研究表明，其机械性能满足现代结构应用的要求[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这些证据鼓励了在大型跨度和高层结构中使用Glubam的提议，如图1所示。尽管取得了这些进展，Glubam在长跨度梁中的应用仍受到制造和运输实际限制的制约。单个Glubam板材的长度受到压制尺寸、层压控制和制造过程中的质量保证的限制，而长而细的构件的运输则面临车辆容量、处理安全和损坏风险等问题[4]、[5]。因此，拼接成为一种有效策略，可以使用相对较短的工厂制造板材来建造长跨度Glubam梁，而不影响结构完整性。在实际应用中，这通常通过交错拼接实现，即连接分布在梁的整个跨度上，并跨越不同的层压层，从而避免在单个截面进行全深度拼接。

在木材工程中，长期以来通过多种连接方法（如螺栓连接、钉接、胶合杆接头、指形接头和自攻螺钉（STS）连接）解决了延长结构构件的类似问题[17]、[18]。例如，李等人[19]和陈等人[20]报告称，当STS连接与钢材、竹材或层压竹板材结合使用时，可以有效保持胶合层压木材（glulam）梁的刚度和弯曲能力。相比之下，关于Glubam拼接的研究开发较少。现有的研究主要关注指形接头、钉接连接和螺栓连接[12]、[21]、[22]、[23]。例如，李等人[12]研究了指形接头连接的Glubam梁，发现虽然刚度仅略有影响，但极限承载能力显著降低。同样，李等人[23]评估了由Glubam和中国冷杉制成的钉接竹木复合板，发现弯曲能力没有显著损失，甚至刚度有所提高。总的来说，这些研究强调了开发针对工程竹材的拼接技术的重要性，以确保连接构件之间的有效应力传递。

齿形金属板连接器（MPCs）最近成为Glubam拼接的有希望的解决方案。MPCs在木材结构中得到广泛应用，特别是在桁架中，因其安装方便、定位精确和载荷传递效率高而受到重视[24]、[25]、[26]。多项实验[27]、分析[28]、[29]和数值[30]研究表明，MPC的性能强烈依赖于连接器几何形状、齿形方向、板材尺寸以及主导的拉伸、剪切和锚固机制。最近，MPCs也被用于Glubam构件，实现了与木材接头相当的锚固强度、拉伸能力和剪切阻力[31]、[32]。这些发现表明，MPCs不仅是木材或竹材的有效连接方法，而且作为长跨度Glubam结构构件的坚固拼接解决方案也具有巨大潜力。

本研究全面探讨了MPC拼接在长跨度结构应用中的可行性。实验方案包括三种类型的梁：由薄条（TH）、厚条（TK）和复合薄/厚条（THK）板材制成，兼顾了成本效益和机械性能。每个系列包括未拼接的对照梁、内层层压层拼接的梁和外层层压层拼接的梁，而其余层压层在拼接区域保持连续。由于试样长度的限制，拼接有意集中在跨中，对应于最大弯曲力矩，以检验最关键的结构条件并建立性能评估的保守基准。分析重点关注关键性能指标，包括弯曲强度、刚度、延性和四点弯曲下的主导破坏机制。为了补充实验观察结果，开发了解析模型来预测弯曲响应，并进行了详细的有限元模拟，以明确捕捉MPC拼接区域的应力传递和损伤演变。这些发现为Glubam梁的MPC拼接的结构可行性提供了基本见解，有助于推进可持续长跨度结构应用的可靠设计策略。

材料

Glubam是一种生物基复合材料，由3-6年生的毛竹通过受控层压工艺制成，如图2所示。制造过程包括两个阶段：首先，在5 MPa的压力和150°C的温度下将竹条热压成30毫米厚的板材，然后通过冷压层压组装最终的结构构件[5]。本研究中使用了两种类型的Glubam板材，它们之间的区别在于...

实验结果与讨论

表2总结了实验结果，展示了三种材料组成（TH、TK和THK）的未拼接和MPC拼接Glubam梁的弯曲性能。关键机械参数的比较突出了MPC拼接对整体弯曲行为的影响。该性能通过梁的刚度来表征，刚度由使用公式（1）计算的弹性模量（MOE）来量化；屈服载荷（F_y）及其相关的跨中变形（D_y）

弯曲分析

为了将实验发现扩展到预测性设计应用，开发了一个简化的解析模型，以估计未拼接和MPC拼接Glubam梁的弯曲刚度和极限弯矩（图17）。根据梁的布局和拼接配置——发现下层拼接界面存在明显的间隙（阻碍了有效的应力传递），而上层拼接层完全连接——解析模型的基本假设是...

结论

本研究通过实验测试、解析建模和有限元模拟研究了MPC拼接Glubam梁的弯曲性能。评估了拼接配置（未拼接、内层和外层）和层压组成（薄条、厚条和复合薄/厚条）对结构行为的影响。这种综合方法为MPC拼接Glubam梁的弯曲响应提供了机制上的洞察，并为...

CRediT作者贡献声明

郭伟昌：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，研究，正式分析，数据管理。肖子凌：方法论，研究。王碧斌：方法论，研究。邓俊远：方法论，研究。穆罕默德·阿德尔：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，研究，正式分析，数据管理。肖燕：撰写——审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金

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致谢

本工作得到了宁海县人民政府和中国博士后奖学金的支持。本研究中测试的Glubam试样由宁波 Bamduos 新材料科技有限公司制造。