轻型木结构用定向秸秆板集中静载和冲击荷载性能试验研究∗

席 飞 刘芯彤 阮雪君 孙友富 杨晓林

木材是最古老的材料之一，在几千年前就作为居住、工具和燃料使用，也是当今四大材料钢材、水泥、木材和塑料中唯一可再生的，又可以多次使用和循环利用的生物材料[1]。而以其为材料建造的轻型木结构建筑因其健康、安全、节能、环保、高效能、返朴归真和体现自然等特点，在欧美等地住宅建筑领域得到广泛的应用和发展，此类建筑通常使用实木方材或工程木材作为木桁架、墙骨、搁栅、各种梁等结构构件[2-3]，用胶合板或定向刨花板等作墙面、屋面及楼面等结构覆面板形成其结构体系。

国内在轻型木结构建筑结构覆面板的选择上通常依赖国外进口的定向刨花板或针叶木胶合板，价格较贵不符合中国国情。目前国内也有部分学者针对适合中国国情的轻型木结构覆面板进行研究，如对国产定向刨花板作为轻型木结构覆面板的抗弯性能进行研究[4]，对国产落叶松胶合板覆面板均布载荷和集中荷载展开研究[5-6]，对意杨结构胶合板作为轻型木结构覆面板的可行性进行研究等[7]。而笔者认为如果可以利用以秸秆为主要原料的定向秸秆板作为中国轻型木结构建筑结构覆面板的主要选择，可以大量减少中国农村秸秆焚烧所带来的环境污染，变废为宝[8-11]。笔者探讨了以定向秸秆板作为轻型木结构建筑屋面板时的集中静载性能，拟为秸秆基材料作为结构人造板的生产及其在轻型木结构建筑的应用提供依据。

1 试验材料与装置

1.1 试验材料

定向秸秆板：取自诺菲博尔定向秸秆板制造厂，幅面1 220 mm×2 440 mm，厚度为12 mm，其性能指标测定结果见表1。

表1 定向秸秆板物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of OSSB

1.2 试验装置

试验所用的集中静载和冲击荷载性能测试设备，是笔者在本校原有设备的基础上，联系了相关的设备公司，根据GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》[12]改造而成。

1.2.1 集中静载加载装置

利用图1 SANS 生产的 50 t数控试验机作为集中静载的加载装置，具体的加载方式为把试验用板平放在试验台基础上，然后通过工字横梁使荷载传至试板加载点，利用TDS数据采集仪读取每加载点的挠度值。

图1 集中静载装置Fig.1 Concentrated static load device

1.2.2 加载盘

加载盘为一直径76 mm，厚度为 13 mm 的金属圆盘，其底面与侧立面的过渡连接为半径 1.5 mm 的弧形面。加载盘的上端与球座连接，以保证加载盘表面与试板加载表面平行。

1.2.3 位移计

安装在特制的四脚架上，每个加载盘对应一个位移计，位移计连接TDS数据采集仪读取试验板材在荷载作用下的挠度值。

1.2.4 TDS数据采集仪

读取每个位移计对应的试验板材加载点在荷载作用下的挠度值及极限荷载。

1.2.5 冲击荷载加载装置

冲击设备主要是由门字型支架、皮袋吊挂环结构、专用冲击皮带和试件支撑支座构成。专用冲击皮袋的高度为 760 mm，共分为5个高度调节档，直径为250 mm，内装钢球直径 2.4 mm，皮袋的总重量为 13.6 kg，以达到102 N·m的试验要求。整个冲击荷载的装置见图 2。

图2 冲击荷载加载装置Fig.2 Impact load device

2 试验方法

2.1 加载方式

2.1.1 集中静载性能加载方式

集中静载试验目的是模拟屋面板的实际受力情况，将试板平置在 3 根等跨距（试验中选取600 mm）的支撑支座上，形成双跨连续板。通过施加集中静载，检测其在规定静载下的挠度值及极限载荷。研究采用对试板最不利的、边缘无支撑状态进行试验，加载位置见图 3。

图3 集中静载加载方式Fig.3 Concentrated static load mode

2.1.2 冲击荷载性能加载方式

冲击载荷试验是模拟屋面板在冲击状态下的实际受力情况，为了达到这一目的，笔者将试验板材平置在3 根等跨距（试验中选取600 mm）的支撑支座上形成双跨连续板，通过预定重量的皮袋冲击装置及集中静载装置对试验板材施加冲击载荷进行试验，并测量板材在冲击前和在不同高度冲击后的集中静载下挠度值及极限荷载。该研究只对对试验板材最不利的边缘无支撑受力状态进行试验，加载位置见图4。

图4 冲击静载加载方式Fig.4 Impact load mode

2.2 试验条件

2.2.1 试板

根据GB 50005—2003《木结构设计规范》中的要求，选择不上人屋顶屋面板最大支撑间距600 mm作为试验间距，选择与之对应的最小屋面板厚度12 mm作为试验板材厚度。根据GB/T 50329—2012 《木结构试验方法标准》选择最小板材幅面尺寸1 200 mm×600 mm（长×宽）作为试验板材尺寸。

2.2.2 条件

在试验前模拟板材可能发生的实际使用条件调节板材试件的含水率，用于屋面板的板材应调节到干态和湿态两种条件，在这两种条件下进行屋面板集中静载和冲击荷载的性能测试。

1）干态试验。在（20±3）℃和（65±5）%的相对湿度的条件下将板材试件调节至少2周使其达到恒重和含水率不变。

2）湿态试验。将板材用水喷淋其上表面连续3 d处于湿态，避免板材表面局部积水或任一部分没入水中。

2.3 试验步骤

2.3.1 集中静载试验步骤

1）按照要求把标准板材切割成试验所需尺寸的试验板；

2）将符合条件的试板平放在支撑支座上（支座支撑相距600 mm，边缘无支撑），并与支撑支座紧密牢固接触；

3）将位移计对准试板产生最大挠度的位置，即支承支座中间中心线上与距试板边部 65 mm 的交点处；

4）加载：加载速度2.5 mm/min，测定并记录规定载荷（890 N）下的集中静载挠度值，然后卸载；

5）重复4）的步骤 2 次，然后取平均值，减小误差；

6）加载盘以 5 mm/min的速度作用于加载点，测定和记录试板破坏时的最大载荷。

2.3.2 冲击荷载试验步骤

1）按照要求把标准板材切割成试验所需尺寸的试验板；

2）在冲击荷载前，首先进行集中静载试验，将符合条件的试板平放在支撑支座上（支座支撑相距600 mm，边缘无支撑），位移计对准试板产生最大挠度的位置，即支承支座中间中心线上与距试板边部 152 mm 的交点处，加载速度为2.5 mm/min，测定并记录规定载荷（890 N）下的集中静载挠度值，然后卸载；

3）然后进行冲击试验，首先将集中静载试验装置去掉，然后将试板准确地放置在冲击装置的支撑上，放置的位置应满足冲击皮袋能准确地落在试验板材的加载点上，冲击皮袋的起始降落高度为152 mm，之后每次按152 mm 递增。冲击高度一共有 5 个，击落点 2 个；

4）每次冲击试验完成后，重复步骤2），在 5次冲击试验结束后，以 5 mm/min 的加载速度增加集中荷载直至破坏，观察试验板材的破坏情况。

2.4 轻型木结构屋面板集中静载和冲击荷载性能标准指标

根据GB 50206—2012《木结构工程施工质量验收规范》中对于轻型木结构屋面板在集中静载和冲击荷载下的力学性能作出规定，如表2所示。

表2 屋面板集中静载和冲击荷载性能标准指标Tab.2 Concentrated static and impact load performance standard index of roof panel

3 试验结果与分析

3.1 定向秸秆屋面板的集中静载性能分析

3.1.1 干态试验

将板材按照试验步骤进行试验，试板共为10块，每块设A,B 共2个测点，每点测量3次，测量位置如图3。测量挠度的平均值及极限荷载列于表3。

表3 干态定向秸秆屋面板集中静载试验数据Tab.3 Concentrated static load experimental data of dry OSSB roof panel

由表3的数据可见，12 mm的干态定向秸秆屋面板在规定集中静载下的平均挠度为5.56 mm，与GB 50206—2012中规定的最大挠度12.7 mm相比仅为其43.78%；12 mm的干态定向秸秆屋面板在规定集中静载下的平均极限荷载为2 821 N，与GB 50206—2012中规定的最小极限荷载1 780 N相比是其158%，且10组试验板材每组的极限荷载都大于标准规定的1 780 N。

3.1.2 湿态试验

将板材按照试验步骤进行试验，试板共为10块，每块设A,B 共2个测点，每点测量3次，测量前将板材用水喷淋其上表面连续3 d处于湿态，避免板材表面局部积水或任一部分没入水中，测量位置如图3。测量挠度的平均值及极限荷载列于表4。

表4 湿态定向秸秆屋面板集中静载试验数据Tab.4 Concentrated static load experimental data of wet OSSB roof panel

由表4的数据可见，12 mm的湿态定向秸秆屋面板在规定集中静载下的平均挠度为6.23 mm，与GB 50206—2012中规定的最大挠度12.7 mm相比仅为其49.06%，与干态定向秸秆板相比下降了5.28%；12 mm的湿态定向秸秆屋面板在规定集中静载下的平均极限荷载为2 778 N，与GB 50206—2012中规定的最小极限荷载1 780 N相比是其156%，与干态定向秸秆板相比下降了2%，且10组试验板材每组的极限荷载都大于标准规定的1 780 N。

3.1.3 结论

综合12 mm厚定向秸秆屋面板干湿状态下的集中静载性能试验，可以得出结论，湿态下的定向秸秆屋面板比干态下的定向秸秆屋面板平均挠度大0.67 mm，平均极限荷载小43 N，变化不大，且都超过GB 50206—2012中所规定的集中静载性能技术指标。

3.2 定向秸秆屋面板的冲击荷载性能分析

3.2.1 干态试验

将板材按照试验步骤进行试验，试板共为6块，每块设A,B共2个测点，每点测量3次，测量位置如图4。测量挠度的平均值及极限荷载列于表5。

由表5的数据可见，12 mm的干态定向秸秆屋面板在冲击荷载达到规定的102 N·m（即冲击高度达到760 mm）的情况下，其平均挠度为5.46 mm，与GB 50206—2012中规定的最大挠度12.7 mm相比仅为其42.99%；6块12 mm的干态定向秸秆屋面板都能达到102 N·m的冲击荷载（即冲击高度达到760 mm），且无破坏，平均极限荷载为3 257 N，与GB 50206—2012中规定的最小极限荷载1 330 N相比是其245%，且6组试验板材每组的极限荷载都大于标准规定1 330 N。

表5 干态定向秸秆屋面板冲击荷载试验数据Tab.5 Impact load experimental data of dry OSSB roof panel

3.2.2 湿态试验

将板材按照试验步骤进行试验，试板共为6块，每块设A,B共2个测点，每点测量3次，测量前将板材用水喷淋其上表面连续3 d处于湿态，避免板材表面局部积水或任一部分没入水中，测量位置如图4。测量挠度的平均值及极限荷载列于表6。

表6 湿态定向秸秆屋面板冲击荷载试验数据Tab.6 Impact load experimental data of wet OSSB roof panel

由表6的数据可见，12 mm的湿态定向秸秆屋面板在冲击荷载达到规定的102 N·m（即冲击高度达到760 mm）的情况下，其平均挠度为6.09 mm，与GB 50206—2012中规定的最大挠度12.7 mm相比仅为其47.95%，与干态定向秸秆板相比下降了4.96%；6块12 mm的湿态定向秸秆屋面板都能达到102 N·m的冲击荷载（即冲击高度达到760 mm），且无破坏，平均极限荷载为3 094 N，与GB 50206—2012中规定的最小极限荷载1 330 N相比是其232%，与干态定向秸秆板相比下降了13%，且6组试验板材每组的极限荷载都大于标准规定的1 330 N。

3.2.3 结论

综合12 mm厚定向秸秆屋面板干湿状态下的冲击荷载性能试验，可以得出结论，湿态下的定向秸秆屋面板比干态下的定向秸秆屋面板平均挠度大0.63 mm，平均极限荷载小163 N，变化不大，且都超过GB 50206—2012中所规定的冲击荷载性能技术指标。

4 结论

1）定向秸秆屋面板干湿状态下，集中静载的平均挠度分别为5.56 mm和6.23 mm，湿态集中静载挠度比干态增加0.67 mm，分别为GB 50206—2012所规定的集中静载挠度的43.78%和49.06%；干湿状态下，集中静载的极限荷载分别为2 821 N和2 778 N，湿态极限荷载比干态小43 N，且均远远超过标准所规定的1 780 N。因此，定向秸秆屋面板的集中静载性能符合标准，且性能远远高于标准规定。

2）定向秸秆屋面板干湿状态下，在冲击荷载达到规定的102 N·m（即冲击高度达到760 mm）的情况下其平均挠度分别为5.46 mm和6.09 mm，湿态集中静载挠度比干态增加0.63 mm，分别为GB 50206—2012所规定的集中静载挠度的42.99%和47.95%；干湿状态下，集中静载的极限荷载分别为 3 257 N和3 094 N，湿态极限荷载比干态小163 N，且均远远超过标准规定的1 330 N。因此，定向秸秆屋面板的冲击荷载性能符合标准，且性能远远高于标准规定。

3）定向秸秆板的集中静载性能和冲击荷载性能均符合标准，且性能远远高于标准规定。并且由于其利用秸秆为主要原料，符合中国国情，更加生态环保[14]，是现在轻型木结构建筑中常用的定向刨花板和针叶木胶合板良好的替代产品，有利于轻型木结构建筑在中国的发展[15-16]。

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