两种落叶松规格材齿板节点拉伸性能研究∗

王 丽 王 滋 丁青锋 武国芳 赵荣军

近年来，随着国家对森林可持续发展认识的提高，人工林的培育和营造受到高度重视，其中落叶松在我国人工林中占较大比例。兴安落叶松是生长在我国东北林区大小兴安岭一带的落叶松属树种，具有纹理笔直，结构细密等优点[1]；日本落叶松是我国引种的人工林树种之一，是落叶松属适应范围广、生长潜力大的树种，具有树干端直，生长速度较快，耐腐性较好，力学性能较高等优点[2]。轻型木结构建筑源自北美，具有轻质高强、节能环保、施工效率高等特点，在20世纪90年代即被引入我国[3-4]。目前对国产落叶松规格材在轻型木桁架中的应用研究较少，为了能够科学评价国产落叶松在轻型木桁架结构中的应用潜能，实现轻型木结构在国内的可持续发展，对国产落叶松齿板节点连接性能的研究很有必要。

选用日本落叶松（Larix kaempferi）、兴安落叶松（Larix gmelinii）两种规格材，以进口规格材北美云杉（Picea sitchensis）为参照对象，与国产齿刻痕齿板制成齿板连接节点试件，通过拉伸试验对其节点的抗拉极限承载力、临界滑移刚度、延性、破坏形式以及三个树种规格材顺纹抗拉强度的比较，探究国产规格材在齿板连接性能方面存在的优劣势，完善国产结构材体系。

1 材料与方法

1.1 材料

1）规格材日本落叶松（Larix kaempferi），原木采自辽宁清原大孤家林场，气干密度范围：0.57～0.80 g/cm3；兴安落叶松（Larix gmelinii），是采购于大兴安岭的板材，气干密度范围：0.47～0.76 g/cm3；北美云杉（Picea sitchensis）为加拿大进口规格材，气干密度范围：0.39～0.55 g/cm3；含水率调整至12%左右。采用机械分等法对其进行分等，根据GB 50005—2003《木结构设计规范》要求，选用Ⅲc等级规格材作为试验用材，避开节疤开裂等缺陷，锯解为38 mm×89 mm×300 mm试件。

2）齿板试验用齿板为国产齿刻痕齿板。齿刻痕齿板是在普通齿板的基础上，在位于板齿高度的1/3、1/2、2/3处平行刻痕，刻痕的深度在板齿厚度的30%左右，刻痕的宽度小于等于0.5 mm，刻痕长度方向与板齿高度垂直方向成45°夹角[5]，如图1。齿板采用Q235碳素结构钢制成，齿板厚度为0.9～1.0 mm，齿长约为10.4～10.9 mm，齿密度为106～108 No/dm2。

图1 国产齿刻痕齿板Fig.1 Domestic truss plate with notch on tooth

1.2 主要仪器与设备

WDW-300E型万能力学试验机、YHD-100型位移引伸计、夹具（自制）等。

1.3 试验方法

1）规格材物理力学性能测试：依据GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》分别对三种规格材的密度、顺纹抗拉强度进行测试。

2）连接试件制备：采用平压的方式将齿板压入规格材。节点构造形式采用荷载平行于木纹和齿板主轴方向（AA），每种构型取5个试件。

3）试件含水率调节：为方便装配夹具，在试件两侧距端头90 mm处钻孔，孔径为18 mm。将制备好的试件放入温度为20 ℃、相对湿度为65%的恒温恒湿箱平衡一周，以释放齿板压制过程产生的应力集中。

4）节点拉伸试验：根据GB 50005—2003《木结构设计规范》[6]附录M要求，设置加载速度为1.0 mm/min，以保证在5～20 min内试件达到极限承载力，试件破坏试验停止。利用位移引伸计，记录节点连接处位移变化。

2 结果与分析

2.1 三种规格材物理力学性质

表1 三种规格材物理力学性质Tab. 1 Physical and mechanical properties of three kinds of dimension lumbers

对兴安落叶松、日本落叶松、北美云杉三种规格材的标准试件进行物理力学性能测试，结果见表1，由表中可知，国产兴安落叶松和日本落叶松的密度及顺纹抗拉强度均高于北美云杉。三种规格材的顺纹抗拉强度均值分别为158.93、137.57、121.43 MPa，顺纹抗拉强度的变异系数均在20%以内，说明三者顺纹抗拉强度稳定性较好。

通过对兴安落叶松、日本落叶松、北美云杉三种规格材的顺纹抗拉强度进行方差分析，结果见表2，在P=0.05水平下，兴安落叶松、日本落叶松和北美云杉三种规格材的顺纹抗拉强度差异性显著，即规格材种类对木材的顺纹抗拉强度有显著影响。

表2 三种规格材顺纹抗拉强度单因素方差分析Tab. 2 Variance analysis of tensile strength parallel to grain of three kinds of dimension lumbers

2.2 试验现象和破坏形式

三种规格材与国产齿刻痕齿板节点在AA构型中的主要破坏形式见图2，其中日本落叶松和北美云杉齿板节点的主要破坏形式为齿拔出破坏，兴安落叶松的主要破坏形式为齿拔出破坏和齿根断裂破坏。试验中由于破坏形式的不同试验现象也不同，试验初期，随着拉力的增加齿板连接处产生轻微滑移，随着拉力的增大板齿与木材的摩擦力逐渐增大，伴随着轻微木材撕裂的声音；试验后期，随着拉力的继续增大，齿板与木材间的摩擦力难以抵抗齿板所受拉力，由齿板边缘处开始板齿逐渐拔出，直至节点一侧齿板全部拔出，节点失去承载能力，表现为齿拔出破坏；兴安落叶松由于木材密度及顺纹抗拉强度均较大，在拉伸过程中，板齿与木材间具有较大的摩擦力，随着拉力的增大，齿板齿根部分产生剪切破坏，伴随着金属撕裂的声音，试验结束，表现为齿根断裂破坏。主要原因是由于板齿部分刻痕降低了板齿强度且增加了板齿拔出时的摩擦力，因此在节点拉伸过程中，当板齿承受的摩擦力大于齿根所能承受的剪切力时，齿根发生断裂。

图2 齿板连接节点破坏形式Fig. 2 Failure modes of truss plate joints

2.3 三种规格材与国产齿刻痕齿板节点承载性能

从表3可知，兴安落叶松、日本落叶松、北美云杉与国产齿刻痕齿板节点的板齿极限承载力分别是31.250、20.334、19.420 kN，国产落叶松规格材的板齿极限承载力大于进口云杉规格材，且兴安落叶松高于日本落叶松；三种规格材的板齿极限承载力变异系数均在20%以内，说明三种规格材与国产齿刻痕齿板连接节点的拉伸性能稳定性较好。在三种规格材的AA构型中，兴安落叶松与国产齿刻痕齿板节点的板齿极限承载力较北美云杉与国产齿刻痕齿板节点的极限承载力高出69.42%，日本落叶松较其高出4.71%，主要原因是两类国产落叶松木材密度及顺纹抗拉强度均高于进口云杉，且兴安落叶松木材的性能高于日本落叶松[7]。

对三种规格材与国产齿刻痕齿板节点极限承载力进行方差分析，从表4可知，不同树种规格材的节点极限承载力间存在极显著差异。

三种规格材齿板节点临界滑移刚度见表5，由于试验中部分节点在达到最大承载力时产生的位移小于0.8 mm，借鉴McCarthy[8]等的研究将临界滑移值定为0.015 inch（0.38 mm）。由表可得对于同一构型的三种不同规格材齿板节点，国产落叶松规格材与国产齿刻痕齿板节点的临界滑移刚度大于进口云杉规格材。其中兴安落叶松齿板节点的临界滑移刚度最高，是北美云杉的1.29倍；日本落叶松齿板节点临界滑移刚度是北美云杉齿板节点的1.20倍。

表3 三种规格材与国产齿刻痕齿板节点极限承载力Tab. 3 Ultimate bearing capacity of the joints made up of three kinds of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表4 三种规格材与国产齿刻痕齿板节点板齿极限承载力方差分析Tab. 4 Variance analysis of ultimate bearing capacity of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表5 三种规格材与国产齿刻痕齿板节点临界滑移刚度统计Tab. 5 Critical slip stiffness of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

2.4 三种规格材与国产齿刻痕齿板节点延性

利用Origin 8.0对三种规格材与国产齿刻痕齿板节点进行荷载-位移曲线拟合，结果见图3。延性的好坏代表节点是否具有更好的抗震性能，延性较好的节点及建筑结构在破坏前具有明显的破坏预兆并可提供更多的逃生时间[9-10]。通过对荷载位移曲线的峰值区域面积进行积分计算，对比分析三种规格材齿板节点的延性。

图3 三种规格材AA型节点荷载-位移曲线Fig. 3 Load-displacement curves of AA type joints of three kinds of dimension lumbers

由表6可知，两种国产落叶松规格材的延性均好于进口规格材，其中兴安落叶松规格材与国产齿刻痕齿板连接节点的延性最好，其齿板连接节点所经受的变形量是北美云杉与国产齿刻痕齿板连接节点变形量的1.22倍，其节点所吸收的能量是北美云杉齿板节点吸收能量的1.81倍；但日本落叶松规格材的齿板连接节点所经受的变形量小于北美云杉，其节点所吸收的能量是北美云杉齿板节点吸收能量的1.11倍[11]。

表6 三种规格材节点峰值区域面积比较Tab. 6 Comparison of peak area of three kinds of joints

3 结论

1）两种国产落叶松规格材密度及顺纹抗拉强度均高于北美云杉规格材，不同种类木材顺纹抗拉强度差异性显著；日本落叶松及北美云杉规格材与齿刻痕齿板节点拉伸试验的主要破坏形式为齿拔出破坏，兴安落叶松规格材齿板节点的破坏形式为齿拔出破坏和齿根断裂破坏。

2）兴安落叶松与国产齿刻痕齿板节点的极限承载力较北美云杉与国产齿刻痕齿板节点的极限承载力高出69.42%，日本落叶松较其高出4.71%；两种国产落叶松齿板节点临界滑移刚度、峰值区域面积均高于北美云杉。

3）与常用进口云杉规格材相比较，国产落叶松齿板节点连接性能良好，可进一步研究其在轻型木结构建筑与桥梁中的应用；国产齿刻痕齿板的连接性能较好，但易发生齿根断裂破坏，应深入研究提高刻痕齿板的板齿强度。

综合以上研究结果，笔者认为国产落叶松规格材物理力学性质可以达到轻型木结构规格材的使用要求；同时其与齿板连接节点承载性能、延性等均优于进口北美云杉。建议进一步开展国产规格材与齿板节点连接蠕变性能研究。

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