竹木复合工字梁静曲蠕变性能评价

董春雷 张宏健

(1.西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224;2.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

竹木复合工字梁静曲蠕变性能评价

董春雷1，2张宏健1

(1.西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224;2.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为评价竹木复合工字梁(BWIB)的静曲蠕变性能和抗蠕变服役能力，借鉴美国标准ASTM D5055-04和ASTM D6815-02a检测分析BWIB的快速蠕变性能和90 d蠕变性能。结果表明,BWIB的静曲蠕变符合木质材料的一般蠕变特征；BWIB 90 d内发生的全程静曲蠕变挠度为5.33 mm，其中，初始段(第1天)内发生的蠕变挠度为1.38 mm，不可恢复的蠕变挠度为1.79 mm，分别占试验全程静曲蠕变挠度的25.9%和33.6%；BWIB的快速静曲蠕变回弹率和90 d静曲蠕变相对变形率分别为Φ=91.05%和FD90=1.55，分别符合美国标准ASTM D5055-04规定的Φ≥90.0%和ASTM D6815-02a规定的FD90<2.0的要求；静曲蠕变对BWIB的静曲刚性无显著影响。

竹木复合工字梁；静曲蠕变；快速蠕变；抗蠕变服役能力

竹木复合工字梁[1](bamboo-wood composited I-beam，BWIB)(图1)是一种以工业速生林木意杨(PopuluseuramevicanaI-214)所制的单板层积材(laminated veneer lumber，LVL)为翼缘，以竹定向刨花板(bamboo based oriented strand board)为腹板的承重性木质建筑材料，其常规静态力学性能指标完全达到我国现行民用建筑标准对高强度承重梁的要求[2]，可作为现代木结构建筑楼盖、屋盖等结构梁使用。

在设计和使用时，由于木质材料的静曲强度相较于静曲弹性模量往往有较大剩余，因此，承重性木质梁应用于木结构建筑时，首要需考查以挠度来衡量的抵抗竖向静曲变形的能力[2-3]。除瞬时静曲变形外，木质梁随时间的延长还会发生明显的静曲蠕变变形，并可导致其静态力学性能和形体稳定性下降甚至丧失[4]，因此静曲蠕变挠度应成为衡量承重性木质梁工程应用性能的重要指标之一。

然而，我国《木结构设计规范》只给出了木质梁在使用时的构造要求而无形变限值的规定[5]，而《木结构设计手册》虽给出了木质梁的瞬时静曲形变限值(静态设计值)[6]，但由于缺乏对木质梁长期服役形变的规定和相应检测方法，从而导致我国在设计、生产和检验环节均不能对木质梁长期服役性能的科学性和合理性做出评判。

为此，本文借鉴北美现有木质梁蠕变性能评价方法，对本课题组自行设计制作的BWIB蠕变性能进行试验分析，以期为该方面的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

自行设计制作的BWIB 6条，规格为：长×宽×高=4 388 mm×40 mm×241 mm。其翼缘为意杨酚醛树脂单板层积材，产自连云港博爱木业公司，截面尺寸为：宽×厚=40 mm×40 mm，绝干密度551 kg/m3，抗弯强度和弹性模量分别为35.0 MPa和 9 700 MPa，符合国标GB 20241—2006《单板层积材》90E级标准。其腹板为竹定向刨花板，产自昆明西木木材工业研究开发公司，厚度为10 mm，绝干密度850 kg/m3，静曲强度、弹性模量和内结合强度分别为40、4 200 MPa和0.7 MPa，符合林业标准LY/T 1580—2000《定向刨花板》对OSB/3类板的要求，按美国标准ASTM D1037-06a测定的其横截面双轨剪切强度为22.0 MPa。按我国现行民用建筑设计规范[7-8]，试验所用BWIB的设计荷载应为4.9 kN。

1.2 仪器设备

1) 带防侧向失稳装置和双点加载横梁的大跨度SANS万能力学试验机一台，精度10 N。

2) 带防侧向失稳装置的大跨度静曲蠕变测试装置6对(图2)。

3) 用以测量BWIB跨中挠度的百分表6支，量程50 mm，精度0.01 mm。

4) 激光水平校准仪1台。

1.3 衡量指标

挠度：BWIB的实测跨中形变值，即静曲挠度值。

蠕变挠度：其数值等于每一时间点实测静曲挠度值与瞬时弹性挠度的差值。

1.4 测试方法

1.4.1静曲弹性模量测试 按ASTM D5055-04和GB/T 50329—2002四点弯曲测试方法测试BWIB的静曲弹性模量MOE[9-10]，取最大加载力为5 kN。

1.4.2 蠕变测试

1) 快速蠕变及回弹测试。按ASTM D5055-04快速蠕变测试方法(所用设备同静曲测试)检测试件的快速静曲蠕变和蠕变回弹率，其方法为：首先对BWIB施加其设计载荷的20%(本试验为0.98 kN)，迅速记录其跨中挠度值S1，继续加载至BWIB设计载荷的1.5倍(本试验为7.35 kN)并保持1 h，记录其跨中挠度值S2，然后再卸载至其设计载荷的20%(本试验为0.98 kN)，15 min后再次记录其跨中挠度值S3。

2) 自然蠕变测试。以(时值旱季的)昆明1—3月份室内温度4～32 ℃、相对湿度10%～65%的自然通风环境为BWIB蠕变环境，按ASTM D6815-02a[11]四点弯曲测试方法，2个加荷点分别荷载150 kg，共300 kg(2.94 kN，为试件设计荷载的60%)，用百分表测量试件BWIB的跨中挠度。记录以下阶段的数据：(1)荷载加载1 min时和随后1 h内时每隔10 min的BWIB挠度值，同时记录测试场所的环境温度(T)和相对湿度(RH)值；(2)其后每天8∶30和17∶30各记录1次BWIB的挠度值以及环境T和RH，一直持续90 d；(3)蠕变试验结束后，迅速解除各试件荷载，每隔10 min记录1次试件的跨中挠度值，持续记录3 h；随后的14 d中每天8∶30和17∶30各记录1次试件挠度值以及环境T和RH。之后将试件置于与第1次静曲MOE测试相同的环境平衡30 d，再次按ASTM D5055-04[9]四点弯曲测试方法测试BWIB的MOE，其中仍取最大加载力为5 kN。

2 结果与分析

2.1 室内自然环境下BWIB的静曲蠕变

BWIB 90 d的平均静曲蠕变挠度和卸载后14 d的平均蠕变挠度恢复曲线见图3。

由图3可知，BWIB的蠕变曲线和蠕变恢复曲线与实木的恒湿静曲蠕变曲线和恢复曲线[11]相似，均表现出粘弹性变形阶段(图3 ac段)中蠕变挠度随时间延长而逐渐增加的基本特征，从而可认为：室内自然环境条件中BWIB的总体静曲蠕变行为符合木质材料在恒湿条件中普通静曲蠕变的一般规律。

试验中BWIB在90 d的全程静曲蠕变挠度为5.33 mm，其中在初始段(ab段)内发生的蠕变为1.38 mm，占试验全程静曲总蠕变挠度的25.9%，不可恢复蠕变为1.79 mm，占试验全程静曲蠕变的33.6%。

2.2 BWIB静曲蠕变性能的评价

2.2.1BWIB静曲蠕变性能的快速评价 根据BWIB与实木静曲蠕变规律[12-13]的总体相似性，即BWIB在初始段的蠕变挠度最大(图3 ab段)，但其中大部分蠕变可在短时内恢复(图3 de段)，应用美国标准ASTM D5055-04[4]，以静曲蠕变挠度回复量与静曲蠕变总挠度的比值，即回弹率Ф为衡量指标，按式(1)～(3)对BWIB的静曲蠕变性能作快速检测和近似评价。

(1)

ΔS=S3-S1

(2)

S=S2-S1

(3)

式中：Φ为回弹率(%)；ΔS为不可恢复形变量(mm)；S为总变形量(mm)。

试验中，BWIB的测试平均值为S1=3.23 mm，S2=23.23 mm，S3=5.01 mm，则其静曲蠕变的快速蠕变回弹率平均值=91.05%(COV=2.80%)，达到美国标准Φ≥90%的要求。

2.2.2BWIB 90 d的静曲蠕变评价 BWIB 90 d蠕变速率统计结果见表1。

表1 BWIB 90 d蠕变速率统计情况

由表1可知，BWIB 90 d内各阶段挠度的大小变化关系依次为D30-Di>D60-D30>D90-D60(D为挠度形变；下标表示对应的时间，其中i为初始时间1 min，30表示第30天)，BWIB在前60 d和前90 d的蠕变速率分别为1.48 mm/30 d和1.55 mm/30 d，基本相等。可见，BWIB的形变速率随时间延长而减小，并在试验结束时趋于稳定，可以认为是达到了木质材料普通蠕变的第二阶段，即蠕变稳定阶段。

虽然BWIB的上述蠕变速率发展趋势及规律与木质材料相似(图3)[10]，但其能否安全地应用于木结构建筑仍需给予定量评价。美国标准ASTM D6815-02a认为，木质工程材料在90 d干态环境下(木材含水率不高于19%)的蠕变测试已可检测到无论任何形式的蠕变-破坏效应的75%，而剩余25%蠕变-破坏效应需30～50 a蠕变测试时间，同时该标准还发现当90 d相对变形率FD90≤2.0时，材料可安全地应用于处干态环境下的木结构建筑[11]。FD90具体计算方法如下：

(4)

式中：Di为初始形变量，为试件加荷1 min后的挠度值(mm)；D90为试件加荷90 d后的挠度值(mm)；FD为相对变形率(fractional deflection，FD)。

由表1及式(4)计算结果可知，本试验试材BWIB的FD90=1.55<2.00，符合美国标准ASTM D6815-02 a对木质工程材料静曲蠕变的要求。

2.3 蠕变对BWIB静曲刚性的影响

BWIB的静曲刚性可用其在标准试验测试条件[5]下整梁的瞬时跨中挠度和静曲弹性模量MOE来衡量。BWIB在90 d蠕变试验前后不同加载力下的跨中挠度值和静曲MOE的对比情况见图4～5。

由图4～5可知，相同加载力下，蠕变后BWIB的平均静曲挠度和平均静曲MOE与蠕变前的分别相差仅2.60%和0.69%。发生过蠕变的BWIB的荷载-挠度曲线在比例极限段内仍表现为高度的线性特征。

由此可知，符合我国现行民用建筑标准要求的BWIB，经历90 d蠕变和正常恢复后，其静曲刚性与蠕变前无显著差异。

3 结 论

1) BWIB 90 d内发生的全程静曲蠕变挠度为5.33 mm，其中在初始段(第1天)内发生的为1.38 mm，占试验全程静曲蠕变挠度的25.9%，不可回复蠕变挠度为1.79 mm，占试验全程静曲蠕变挠度的33.6%。

2) BWIB的静曲蠕变符合常用木质工程材料的一般蠕变特征，可以用美国标准ASTM D5055-04和ASTM D6815-02 a快速测试方法对其蠕变性能进行评价。

3) 本试验BWIB的快速静曲蠕变回弹率和90 d静曲蠕变相对变形率分别为Φ=91.05%和FD90=1.55，分别达到美国标准ASTM D5055-04规定的Φ≥90.0%和ASTM D6815-02a规定的FD90<2.0的要求。

4) 蠕变对BWIB的静曲刚性无显著影响。

[1] 张宏健．竹木复合工字梁：中国，200620019276.5[P]．2006-03-07．

[2] 李统，黄宇翔，张宏健，等.不同含水状态下实木梁的静曲蠕变[J].西南林业大学学报,2013,33(6):80-83.

[3] PRI-400. Performance Standard for APA EWS I-Joists[S].APA-The Engineered Wood Association，2004.

[4] Leichti R J, Tang R C. Effect of creep on the reliability of sawn lumber and wood-composite I-beams[J]. Mathematical and Computer Modelling, 1989, 12(2): 153-161.

[5] 上海现代建筑设计(集团)有限公司.GB 5005—2003.木结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[6] 《木结构设计手册》编辑委员会.木结构设计手册[M]. 3版.北京:中国建筑工业出版社，2005.

[7] 中华人民共和国建设部.GB 50009—2001.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[8] 中华人民共和国建设部.GB 50096—1999.住宅设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[9] ASTM D5055-04.Standard Specification for Establishing and Monitoring Structural Capacities of Prefabricated Wood I-Joists[S]. American Society for Testing and Materials， 2004．

[10] 中华人民共和国建设部.GB/T 50329—2002木结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2002．

[11] ASTM D6815-02a.Standard Specification for Evaluation of Duration of Load and Creep Effects of Wood and Wood-Based Products[S]. American Society for Testing and Materials， 2002．

[12] 董春雷．木结构建筑用木质工字梁静态弯曲性能的研究和设计[D]．昆明：西南林业大学，2009．

[13] 王逢瑚．木质材料流变学[M]．哈尔滨：东北林业大学出版社，1997．

(责任编辑 曹 龙)

Evaluation of the Static Bending Creep of Bamboo-Wood Composited I-Beam

DONG Chun-lei1,2， ZHANG Hong-jian1

(1.College of Material Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunan 650224,China; 2.College of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China)

In order to evaluate the static bending creep (SBC) and service capacity in creep-resistance of the bamboo-wood composited I-beam (BWIB) which was self-designed and self-made by the project, the rapid creep and 90-day creep were tested and analyzed employing ASTM D505-04 and ASTM D6815-02a. Results showed that the SBC of the BWIB accorded with the creep characteristics of common wood material. The total deflection of SBC of the BWIB in 90 days was 5.33 mm, in which the first-day deflection was 1.38 mm and the irreversible deflection was 1.79 mm, which occupied 25.9% and 33.6% of the total 90-day deflection respectively. Both the rate of the rapid recovery (Φ=91.05%) and the 90-day fractional deflection (FD90=1.55) of BWIB met the requirements of ASTM D5055-04, whoseΦ≥90% and of ASTM D6815-02a, whose FD90<2.0. SBC had no significant effect on the bending rigidity of BWIB.

bamboo-wood composited I-beam; static bending creep; rapid creep test;service capacity in creep-resistance

2014-01-10

国家自然科学基金项目(31170534)资助；西南林业大学校基金项目(111140)资助。

张宏健(1952—)，男，硕士，教授。研究方向：木竹材料的制造和应用。Email: hjzhang008@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.019

S781.7

：A

：2095-1914(2014)05-0099-04

第1作者：董春雷(1981—)，男，博士，实验师。研究方向：木质工程材料和木结构建筑。Email:dchunlei@live.cn。