预应力胶合木梁受压区层板胶合木受压性能试验1)

2014-08-02左宏亮王东岳何东坡王永兵

东北林业大学学报 2014年6期

关键词：木梁顺纹杨木

左宏亮王东岳何东坡王永兵

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (苏州皇家整体住宅系统股份有限公司)

预应力胶合木梁受压区层板胶合木受压性能试验1)

左宏亮王东岳何东坡王永兵

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (苏州皇家整体住宅系统股份有限公司)

为了选择适用于新型预应力胶合木梁受压区的层板胶合木，选取SPF(云杉—松—冷杉)、杨木、东北落叶松和桉木等木制材料，研究树种类别、树种组合、层板厚度和组坯方式等因素对层板胶合木受压性能的影响。采用自行提出的棱柱体胶合木试块，利用自行研制的对夹式引伸计，通过4批次17组102个层板胶合木试块的顺纹受压试验，研究了层板胶合木的弹性模量、顺纹抗压强度、受力特征及破坏形态。结果表明：杨木、东北落叶松和桉木的弹性模量及顺纹抗压强度均高于进口木材SPF，尤其是杨木和东北落叶松的受压性能明显好于其他木材；不同树种组合与单一树种试块的弹性模量及顺纹抗压强度数值接近，不同树种组合具有一定的可能性；虽然随着层板厚度的减小，试块的弹性模量及顺纹抗压强度都有一定的上升趋势，但层板厚度和组坯方式对受压性能的影响不大。

预应力胶合木梁；层板胶合木；弹性模量；顺纹抗压强度；破坏形态

In order to choose the layer board glulam for applying to the compression zone of the new type prestressed glulam beams, we studied the tree species, tree combination, the thicknesses of laminates, and assemble pattern to show the effect on the compression performance of layer board glulam by choosing the SPF, Poplar, North-East Larix, and Eucalyptus. Based on the compression tests along the grain on the 4 batches with 17 groups prism glulam specimens, a total of 102 by using a new type of holder type displacement sensor, we studied the elastic modulus, compression strength parallel to grain, mechanics characteristic and failure mode of the layer board glulam. The elastic modulus and the compression strength parallel to grain of Poplar, North-East Larix and Eucalyptus are both higher than those of SPF, especially the compression performance of Poplar and North-East Larix is much better than that of others. The elastic modulus and the compression strength parallel to grain from different tree species combination are similar with the feasibility of different species. Though the elastic modulus and the compression strength parallel to grain have a certain increasing trend with the decreasing thicknesses of laminates, the thicknesses of laminates and assemble pattern have little effect on compressive behavior.

木结构房屋具有天然、舒适、环保节能等特点，是深受人们喜爱的一种结构形式。在欧美等发达国家，绝大多数的住宅和一半以上的低层商业建筑和公共建筑采用木结构[1-3]。而我国的木结构历史可以追溯到3500 a前，虽然从20世纪70年代末期到21世纪初，木材资源的匮乏曾造成木结构发展的短暂停滞[4-7]，但近年来，随着国家退耕还林、大力种植速生林和适当进口木材等政策的施行，木结构开始复苏，并且在国家大力推广绿色建筑的背景下，木结构必将拥有更为广阔的发展空间[8-10]。

现代木结构在国内外应用日趋广泛，其中，层板胶合木作为典型的现代深加工木材逐渐在建筑工程领域占据了一席之地。目前，对于胶合木的研究主要集中于普通胶合木梁的受力性能分析、采用新型材料加强胶合木梁等方面。一般来说，普通胶合木梁的破坏形式为脆性破坏，破坏时梁的挠度较大[11]，在胶合木梁中施加预应力，能够改善胶合木梁的受弯性能，有利于预应力胶合木梁的受压区层板胶合木的受压强度得到充分发挥。但现阶段对层板胶合木选材的研究还比较有限[12-13]，因此，亟需选取不同的木材，研究层板胶合木的受压性能，选出适用于预应力胶合木梁受压区的层板胶合木材料。

笔者根据预应力胶合木梁受压区层板胶合木的受力特点，自行提出棱柱体胶合木试块尺寸，综合考虑树种类别、层板厚度和组坯方式等影响因素，研究层板胶合木的受压性能，为预应力胶合木梁的选材提供依据。

1 材料与方法

考虑树种类别、树种组合、层板厚度和组坯方式等因素的影响，研究SPF、杨木、东北落叶松和桉木制成层板胶合木试块的弹性模量、顺纹抗压强度、受力特征以及破坏形态，为预应力胶合木梁受压区层板胶合木选材提供依据。

1.1 试块制作

试验中选用了4种不同的木材制作胶合木试块，分别是SPF、杨木、东北落叶松和桉木。其中，SPF根据加拿大独立评级机构按相关标准进行等级评定分为SPF1级和SPF2级。

胶合木试块委托专业生产企业加工，胶合前，板材在工厂内均利用烘干炉进行干燥，含水率为15%[14]。胶合木用胶为瑞士产的单组分液态聚氨酯黏合剂。为研究有关参数对木材的影响，加工试块时，木材去除了较大的木节，同时将小木节置于试块的中部，形成胶合木试块。试块加工完成后，用保鲜膜封闭包装，保持试块的含水率。为减小端部缺陷对试块受压性能的不良影响，将棱柱体胶合木试块尺寸确定为100 mm×100 mm×300 mm，其中，顺纹方向高度为300 mm[15]。

将试块分为4批：第1批试块研究树种类别对胶合木受压性能的影响，第2批试块研究树种组合对胶合木受压性能的影响，第3批试块研究层板厚度对胶合木受压性能的影响，第4批试块研究组坯方式对胶合木受压性能的影响，试块截面尺寸、层板厚度和组坯方式见图1。每组制作6个试块，共102个试块，材料组成见表1。

单位为mm。

批次组别材料层数/层11-1SPF1级71-2SPF2级71-3杨木71-4东北落叶松71-5桉木722-1东北落叶松+杨木72-2桉木+杨木72-3东北落叶松+桉木733-1-1SPF1级53-1-2SPF1级73-1-3SPF1级93-2-1杨木53-2-2杨木73-2-3杨木944-1SPF1级+SPF2级74-2SPF1级+SPF2级74-3SPF1级+SPF2级7

第2批试块2-1组中木材1为东北落叶松、木材2为杨木；2-2组中木材1为桉木、木材2为杨木；2-3组中木材1为桉木、木材2为东北落叶松。第4批试块中木材1为SPF1级、木材2为SPF2级，4-1组为两种木材间隔排列；4-2组为木材1置于两侧，木材2置于中间；4-3组为木材1置于一边。

1.2 试验装置

试验在2 000 kN微机控制电液伺服万能试验机上进行，为准确测量试块弹性阶段变形量，对两只普通电阻应变片式引伸计进行改装，自行研制一套标距100 mm、量程1 mm的对夹式引伸计(见图2)，由单侧测量变为双侧测量，引伸计夹持刀口长度由10 mm加大到100 mm，使得量测试块顺纹方向的变形量更真实、更均匀，避免试件内部节疤、木材材质分布不均匀等因素造成的测量误差。在电路中将两只引伸计并联，直接测量试块整体变形量，引伸计量程由10 mm变为1 mm，提高测量精度，减小误差。用20 mm电阻应变计、100 t拉压力传感器和DH3816N静态应变采集系统测量试件破坏阶段的压力和变形量，试验装置见图3。

图2 引伸计

图3 试验装置

1.3 加载制度

将胶合木试块置于试验台球形支座上，且试块截面面积小于试验台施加压力作用面的面积[15]。弹性阶段试块顺纹受压试验作用力加载机制为10 kN至50 kN，再至10 kN，以2 kN/s的加载速度均匀加载，作用力经过一个周期回到10 kN后，一个完整的弹性周期结束。共进行6个周期加载，其中，第1个周期为预加载，加载机制为作用力0至50 kN，再至10 kN，预加载阶段数据只作为检测试验仪器是否正常、稳定工作的根据，不作为试验有效数据。

破坏阶段万能试验机采用位移控制，以2 mm/min的速度均匀加载，目标位移量为10 mm，达到目标位移量后，停止加载，导出试验数据。

2 结果与分析

2.1 受力特征及破坏形态

加载初期阶段，作用力和试块变形增长速度快。这个阶段木材纤维受压，试块趋于密实，试块本身并未产生抗力。随着压力增大，胶合木试块产生弹性变形，压力和变形曲线呈明显的线性关系，直至达到比例极限(弹性阶段最大抗力)。随着变形的增大，试块抗力增长速度减缓，直到试块达到破坏荷载(最大承载力)，抗力开始缓慢减小，试块表面开始出现裂缝，表明此时试块的承载能力已经达到极限。随着试块继续压缩，试块表面裂缝逐渐开展，并伴有木材劈裂的声音，试块抗力减小的速度依然很缓慢，这是因为木材受压破坏后，木材纤维重新组合压实，所以，承载能力没有显著减小[16]。

根据试验中4批试块所得数据，绘出试块力—位移曲线，见图4。

图4 胶合木试块的力—位移曲线

经观察，试块主要破坏形态分为斜剪破坏、端部局压破坏、层板劈裂破坏、胶合面开裂破坏、内部纤维挤压破坏(见图5)。5种破坏形式所占百分比分别为41.18%、18.63%、11.76%、11.76%、16.67%。从试块破坏形态上看，顺纹受压主要破坏形态为斜剪破坏，属于塑性破坏。

胶合木试块破坏过程中，试块轴心受压，破坏面沿斜截面大约45°方向开展，因此，试块破坏形态主要表现为斜剪破坏。由于试块端面平整度有一定误差，加载时试块端部与试验台不均匀接触，造成应力集中，出现端部局压破坏的特征。由于试块自身存在薄弱部位，如：木节、髓心、斜纹和胶合面等，在加载过程中引起试块内部应力分布不均匀，因此，试块表现出层板劈裂、胶合面开裂和内部纤维挤压等破坏形态。

图5 胶合木试块破坏形态

2.2 数据计算方法

弹性变形阶段对试块施加的作用力在微机上编辑加载程序后，由电液伺服万能试验机控制。试验数据由万能试验机输出，包括作用在试块上的压力N和试块顺纹方向的变形量ΔL。在比例极限内，试块应力应变关系服从胡克定律，胶合木试块的弹性模量可用式(1)计算：

(1)

式中：N1、N2分别为一个弹性周期内，试验力加载阶段起始力(10 kN)和终止力(50 kN)的数值；ΔL1、ΔL2为对应N1、N2的变形量(mm)；A为受压面积(mm2)；L0为引伸计标距(mm)。

破坏阶段试验数据由静态应变采集系统输出，根据文献[17]中给出的顺纹抗压强度计算公式：

(2)

式中：σW试样含水率为W时的顺纹抗压强度(MPa)；Pmax为破坏荷载(kN)；b为试块宽度(mm)；t为试块厚度(mm)。

为减小试验误差，取5个弹性模量中最接近的3个数值的平均值为该试块的弹性模量；对于每组试块的6个弹性模量和顺纹抗压强度数值，分别取其中最接近的4个数值的平均值为该组试块的弹性模量和顺纹抗压强度。

对于每组6个试块对应的顺纹抗压强度和弹性模量，采用标准差和变异系数反映每组试块试验数据之间的离散程度。标准差是指样本中各数据偏离平均数的距离平方的平均数，可用式(2)计算，标准差与平均数的比值称为变异系数，可用式(3)计算：

(3)

(4)

式中：σ为样本的总体标准差；N为样本的总体数量；μ为样本平均值；CV为试验数据的变异系数。

2.3 胶合木抗压强度及弹性模量对比

试验测得的胶合木试块顺纹抗压强度和弹性模量数值见表2—表5。

表2 不同树种类别胶合木试块顺纹抗压强度及弹性模量

根据试验数据可以看出，SPF1级棱柱体胶合木试块的弹性模量略高于SPF2级，SPF1级的顺纹抗压强度也比SPF2级略高，SPF2级弹性模量和顺纹抗压强度的变异系数均明显高于SPF1级，SPF1级的受力性能比SPF2级更稳定。

在SPF1级、SPF2级、杨木、东北落叶松和桉木中，杨木的顺纹抗压强度高于其他4种，东北落叶松的弹性模量是5组试块中最高的，杨木和东北落叶松的受压性能明显好于其他木材。

表3 不同树种组合胶合木试块顺纹抗压强度及弹性模量

杨木、东北落叶松和桉木3种木材两两组合，东北落叶松+杨木、桉木+杨木、东北落叶松+桉木的弹性模量和顺纹抗压强度与3种木材单一树种的数值接近，可见，不同树种组合对层板胶合木受压性能影响不大。

表4 不同层板厚度胶合木试块顺纹抗压强度及弹性模量

层板厚度为20、14、11 mm的SPF1级木材的弹性模量和顺纹抗压强度随着胶合木层板厚度的减小有所提高；层板厚度为20、14、11 mm的杨木的弹性模量和顺纹抗压强度随着胶合木层板厚度的减小也有一定的上升趋势，这是由于层板厚度变小，使得内部缺陷分散或减少，从而改善了木材的受压性能。

表5 不同组坯方式胶合木试块顺纹抗压强度及弹性模量

SPF木材3种不同组坯方式的弹性模量从大到小排列顺序为置于两侧、置于一边、间隔排列，顺纹抗压强度从大到小的排列顺序为置于两侧、间隔排列、置于一边。可见，3种组坯方式中置于两侧的组坯方式的弹性模量和顺纹抗压强度略高于其他两种，组坯方式对胶合木受压性能影响不大。

3 结论

不同树种组合与单一树种试块的弹性模量及顺纹抗压强度数值接近，试块并未发生明显开胶现象，说明树种组合具有一定的可能性。

虽然随着层板厚度的减小，试块的弹性模量及顺纹抗压强度都有一定的上升趋势，但层板厚度和组坯方式对受压性能的影响不大，在梁的试验中需要进一步验证。

试块破坏阶段的曲线证明了胶合木试块发生顺纹破坏后，承载力呈缓慢下降趋势，表现出良好的塑性特征；破坏形态主要有端部局压破坏、斜剪破坏、胶合面开裂破坏、劈裂破坏和内部纤维挤压破坏等。

杨木、东北落叶松和桉木的弹性模量及顺纹抗压强度均高于SPF，可见选用的国产常用木材受压性能好于工程中应用广泛的进口木材SPF，尤其是东北落叶松和杨木的受压性能明显好于其他木材，建议在预应力胶合木梁中优先选用杨木或东北落叶松。

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