意杨单板层积材受弯构件结构性能的试验研究

董国庆，王嘉航

(1.东南大学成贤学院，南京 210009;2.苏州科技学院土木学院，江苏 苏州 215011)

0 引言

目前在世界范围内，大径级的优级原木日益短缺，价格上涨，因此很多发达国家将工程木引入建筑结构领域。工程木是以原木为主要材料，采用高性能的环保胶粘剂，利用现代技术加工制成的复合木材。此类结构主要包括层板胶合木(Glalam)、单板层积材(LVL)、平行木片胶合木(PSL)等。它们不仅保留了实木的优良特性，还具有材质均匀、许用应力高、防腐、防潮等特点。

单板层积材(Laminated Veneer Lumber，简称LVL)是由2.0mm～5.5mm厚单板沿顺纹方向组坯胶合而成的木质复合材料。单板层积材具有轻质高强、力学性能稳定等优点，是一种优质的木结构材料。

我国目前是世界上拥有最大面积的人工速生林国家。丰富的资源以及LVL的优良特性将会使其成为今后最主要的木质产品之一。我国对LVL的研究应用还处于初期。

通过北方速生树种意杨LVL受弯构件的结构性能试验研究，对试验结果的分析来说明意杨LVL在建筑结构领域的应用可行性及发展前景。

1 试验材料及制备

本次试验研究中，加工单板层积材的原材为江苏北方速生树种意杨;胶粘剂为单板层积材加工采用的胶粘剂酚醛树脂。单板层积材加工流程见图1。LVL受弯构件的加工流程:单板层积材截锯—配板—涂胶—加压胶合—养护—整形加工—检验。

图1 单板层积材加工示意图

2 试验方案

2.1 构件设计

构件数量为12个，LVL受弯试件设计主要考虑了两个影响参数:(1)单板厚度:单板厚度分为两种，为1.6mm和2.4mm。(2)梁截面与跨度即梁体积:采用2种截面和跨度。相同参数构件为一组，每组数量为3个，各构件参数见表1。

表1 各构件参数

2.2 加载方案

试验采用两点静力逐级加载方案。试验中，加荷速度控制在使构件约8min左右达到破坏，加荷等级为1kN。试验方法参照了《木结物理力学试验方法总则》及美国相关木材试验标准。试验设备主要包括静力架、油压千斤顶、分配梁、支座以及数据采集系统。试验装置见图2。

图2 试验装置

试验时在梁支座、跨中及加载点附近安装了位移计，同时在部分构件跨中，沿梁截面高度设置了电阻应变片，这些仪器主要用来量测跨中挠度和曲率，应变片还用于验证平截面假定的适用性。

3 试验过程及结果

3.1 构件试验全过程描述

试验现象:加载初期，挠度随荷载增加而增加，构件基本处于弹性工作阶段;加载过程中，挠度变化较均匀;加载后期，构件出现塑性变形，刚度有所降低，变形明显加大，并伴有断续的轻微响声;构件达到极限状态时，突然断裂破坏，并发出大的响声。所有构件破坏源于纯弯段受拉区边缘。

3.2 构件破坏形态与破坏机理

构件破坏均为受拉区断裂破坏。在构件纯弯区段内，截面底部拉应力达到抗拉强度，导致单板拉断，产生裂缝，并且裂缝迅速展开，最终构件发生断裂破坏，见图3。通常构件破坏时，受压区没有压皱的痕迹。

图3 跨中断裂破坏形态

当加工质量不满足要求时，会发生胶缝开裂破坏，这种构件为失效构件。在本次实验中，B1第三个构件发生胶缝开裂见图4，为失效构件。

图4 跨中断裂破坏形态

3.3 试验结果及分析

加载荷载与挠度实测的部分结果见表2。

试验数据处理方法如下。先确定数据的有效性，将每组构件加载荷载实测数据PMAX加以平均得，保证:

当满足式(1)为有效数据，将每组构件中的有效试验数据加以平均，然后将荷载—位移曲线进行对比，见图5。

由图5可知:

(1)杨木LVL构件没有明显的屈服平台和下降段，最后破坏时，构件挠度很大;LVL构件荷载位移曲线形状平滑程度基本相同，离散性小，性能稳定;另外，单板厚度越薄，拉应变越大，破坏变形越明显。

(2)跨度为2250mm，单板厚度为1.6mm比2.4mm的LVL构件极限荷载略有提高，平均约为5.67%;而跨度为2700mm平均提高约为13.46%;同时，随着构件体积的增加，单板厚度为1.6mm和2.4mm的LVL构件极限荷载分别相应提高约为15.52%和7.58%。

图5 荷载位移曲线对比

杨木LVL构件的极限荷载、抗弯刚度随着构件体积变大而增加，但增加程度不同，单板厚度越薄，增加越多;同时LVL构件的极限荷载、抗弯刚度随着单板厚度的增加而减少，但LVL构件的体积越大，变化越明显。由此可得，单板厚度和梁体积均会影响LVL构件的结构性能。

由试验结果计算得表3，所采用计算公式如下:

抗弯强度:f=aFu/2W;

弹性模量:E=al2△F/16I△ω;

a—加载点至反力支座之间的距离，mm

W—实际梁截面抵抗距，mm3

Fu—最后破坏时的荷载即极限荷载，N

f—梁的抗弯强度，N/mm2

l—测量挠度的标距，mm

I—实际截面的惯性矩，mm4

△F—在比例极限内荷载增量，N

△ω—在荷载增量作用下，在范围内的中点挠度，mm

E—纯弯区段的纯弯弹性模量，N/mm2

由此可知:

(1)跨度为2250mm，单板厚度为1.6mm比2.4 m m的L V L构件抗弯强度平均提高约为6.45%;而跨度为2700mm平均提高约为6.47%;同时，随着构件体积的增加，单板厚度为1.6mm和2.4mm的LVL构件抗弯强度分别相应提高约为11.17% 和11.19%。杨木LVL构件体积越小，单板厚度越薄，其强度变异系数越小，这主要是因为单板越薄，LVL构件材质更均匀，但相对成本要高，一般结构用LVL单板厚度取2～5.5mm。

表2 荷载—挠度试验结果

(2)LVL弹性模量随着体积增加而降低，随着单板厚度减小而增加。

表3 单板层积材受弯构件的抗弯强度、弹性模量

4 结论

单板层积材是一种高性能、生态环保的新型建筑材料，在大跨公共建筑(如体育馆、展览馆、音乐厅等)中具有广阔的应用前景。

试验结构表明，杨木LVL比普通杨木锯材在强度上有大幅度提高;杨木LVL受弯构件的破坏源于受拉区边缘木材纤维的拉断，导致构件突然断裂破坏，但最终破坏时，构件挠度很大。LVL单板厚度对其受弯构件结构性能有影响，单板越薄，性能越好。随着LVL构件体积增加，承载力提高，其抗弯强度降低。在荷载作用下，LVL受弯构件一般经历两个阶段:弹性工作阶段和弹塑性工作阶段。

控制好杨木LVL的加工质量，采用适当的单板厚度和杨木LVL结构构件尺寸，杨木LVL作为建筑上结构用材将有很大的发展空间。

［1］樊承某.木结构在我国建筑中的应用前景［J］.木材工业，2003，17(3):4－6.

［2］陈雷.高强度新型建筑结构材料——单板层积材［J］.住宅科技，1998，39(1):25－27.

［3］吕斌，付跃进，吴盛富，等.几种人工林树种单板层积材的生产试验及力学性能研究［J］.林产工业，2004，31(3):13－14.

［4］张一帆.单板层积材的应用与发展前景［J］.林产工业，2001，28(3):9－12.

［5］GB/T50329－2002，木结构试验方法标准［S］.