预组型木结构工字梁承压能力研究

李军伟 陈竹

摘要： 本文对预组型木质工字梁的结构性能进行分析研究。通过对梁接口承压能力的测试结果表明：IB翼缘/腹板接口的端头承压破坏可分为先期破坏（对应的是无效胶合或胶合不良）和终极破坏（对应的是有效胶合）二种主要形式，先期破坏主要是翼缘/腹板胶合层的剪切破坏或工字梁槽底木材的横纹拉伸破坏，终极破坏的形式是工字梁胶合层剪切、翼缘槽底木材横纹拉伸和压缩的综合性全面破坏。由于终极破坏荷载是工字梁接口的最大垂向抗压破坏荷载，因此要求木结构工字梁接口几何尺寸的设计应努力避免垂向受压时不发生先期破坏。

关键词： 预组型木结构工字梁； 接口分析； 承压能力测试

中图分类号： S 781. 6， TU 366. 2 文献标识码： A

文章编号： 1001 - 9499 （2018） 02 - 0050 - 04

木质工字梁翼缘腹板是利用以速生木材为主要原料的规格板材，或结构用复合木质材料等重组型承重性木质材料作为翼缘，以木基结构板材作为腹板，并用耐久性能优良的冷固性胶粘剂进行胶合，形成横截面为“工”型的结构用梁，亦称工字搁栅。木质结构工字梁可以根据不同用途，有针对性地设计其规格尺寸并可以实现预制化生产，又称为预组木结构工字梁（Prefabricated Wood I-beam），简称IB（图1）。

1 预组型木结构工字梁结构性能分析

1. 1 预组型木结构工字梁接口形式

预组型木结构工字梁翼缘与腹板，是由两种材性不同的木质结构材料拼装在一起的，要保证其使用性能，需要通过工字梁翼缘/腹板接口的有效结合才能组合成一个整体。通过接口连接，一方面使工字梁得以成型，另一方面也起到了传递荷载和保持其力学性能的作用。

目前，预组型木结构工字梁翼缘/腹板的主要连接方式有有钉接、胶接和钉胶接合三种，不同的接合方式对工字梁的接口几何形状要求也会有所不同（图2）。梯形槽接口是工程中预组型木结构工字梁常见的接口形状（图3）。

在图3中，β角度为梯形槽的接口角，梯形槽的接口高度用i来表示，其中，梯形槽的接口角和梯形槽接口高度的设定，一方面要考虑胶合问题，另一方面也要考虑IB的承载能力。e为槽底间隙，也是木结构工字梁制造工艺必需留备的。翼缘高度和翼缘宽度分别用a和b来表示，tw为木结构工字梁腹板厚度。

1. 2 预组型木结构工字梁端部连接分析

预组型木结构工字梁在现代木结构中使用时，端部连接的两种连接方式主要为搭接和托梁架连接（图4）。木结构工字梁端部所使用的规格板材规格通常为截面尺寸40 mm×90 mm或40 mm×140 mm，因此木结构工字梁上搭接部分的长度一般不会超过100 mm。预组型木结构工字梁端头的受力部位主要发生在梁两个端头的支撑部位。

在工程结构中，由于与屋顶梁板或金属连接件相连接的工字梁端部支撑部位承载了梁自重及工字梁上部建筑构件的向下压力，所以，木结构工字梁的端部是最易破坏的部位。在图4（a）中，IB端头支撑部位要承受工字梁传下来的荷载和墙体直接传递的向下荷载；在图4（b）中，IB仅承受了工字梁传递的荷载。而上述两种情况均会导致梁本身至IB端头垂向承载的失效，如图5所示。因此，需要考察木结构工字梁端头支撑部位的垂向承压能力。

IB翼缘/腹板接口以梯形槽嵌合，并采用室外型胶黏剂进行粘连，这使IB端头受力情况变得复杂。在IB端头承受垂向荷载时，其翼缘/腹板接口受力情况并不仅仅是翼缘木材横纹受压，而是结合了胶合层剪切、翼缘槽底横纹受拉等多种受力情况，而翼缘材料的抗剪和横纹抗拉性能要低于横纹抗压性能，使得翼缘/腹板接口处成为IB端头最薄弱的环节，限制了IB端头的承压能力，故当IB端头垂向承压时，实际上考察的是IB翼缘/腹板接口的垂向承压能力。

2 预组型木质工字梁翼缘/腹板接口承压能力研究

2. 1 试验材料与方法

2. 1. 1 试验材料

翼缘材料：选用意杨酚醛树脂单板层积材，简称：LVL，产地为连云港博爱木业有限公司。板材的高度h和宽度b均为40 mm，板材的绝干密度为460 kg/m3，气干含水率为11.3%。板材的力学性能分别为：顺纹抗拉強度为34.7 MPa，顺纹抗压强度为30.2 MPa，顺纹抗拉弹性模量为8 700 MPa，顺纹抗压弹性模量分别为8 700 MPa和6 700 MPa。板材达到国标90E型LVL的质量要求。

翼缘腹板材料：选用酚醛树脂竹大片刨花板，简称：BW，产地为云南省墨江绿特竹制品厂。板材的厚度规格为10 mm，绝干密度为850 kg/m3，气干含水率为11.0%，静曲强度为40.0 MPa，静曲弹性模量4 200 MPa，内结合强度0.70 MPa。板材达到我国林业行业标准LY/T 1580-2000《定向刨花板》中规定的OSB/3的板材性能要求。

胶粘剂的选择和调制：本试验选用市场上常用的交联型聚醋酸乙烯酯（俗称：白乳胶）。胶粘剂调胶时组分比为：聚醋酸乙烯酯∶氯化铵 = 100∶15，施胶量控制在500 g/m2，板材的加压固化时间为30～45 min。

2. 1. 2 试件尺寸

试件从预组完毕的木结构工字梁的整梁上截取，沿整梁纵向方向上截取的试件长度L按建筑规范要求取100 mm；为防止由于腹板屈曲失稳而影响试验结果，所以截取的腹板高度为6 mm；槽底间隙e的尺寸为1 mm 。

试验中通过工字梁的破坏形式和加压时的破坏荷载（kN）来衡量木结构工字梁的抗压能力。

2. 1. 3 选用仪器设备

试验用力学试验机，选用日本岛津5 t万能力学试验机，精度为10 N；铣床采用立式单轴木工铣床，型号为MX5117B；锯机选用德国费斯托多功能木工圆锯机。其他有实验室自制的工字梁翼缘/腹板组装夹具、游标卡尺（精度0.01 mm）等。

2. 1. 4 试验操作过程

安装调试好力学试验机压头，试验前保持力学试验机的压头、试件和操作台的中心在同一垂直面上。试验过程中，力学试验机以1 mm/min的速度缓慢加载；伴随试验的过程，进行拍照并记录不同阶段试件破坏形式。

2. 2 试验结果与分析

据试验观察和分析，预组型木结构工字梁接口处垂向抗压破坏的形式主要有两种：一种是发生于图6中B点的先期破坏形式，另一种是发生于图7中C点的终极破坏形式。

先期破坏主要是翼缘/腹板因胶合不良（即无效胶合）而首先在B点发生的胶合层的剪切破坏（图8a）。此时，胶合层的承压能力失效，腹板随之深入槽底，导致翼缘槽底木材的横纹劈裂（图8b）；由于预组木结构工字梁在外力作用下已经发生了胶合层剪切破坏或翼缘拉伸破坏，此时工字梁胶合层的承压能力和翼缘槽底木材的横纹抗拉能力已经失效，随着外力的继续，工字梁的翼缘槽底木材独立发挥出了横纹承压能力。这一过程往往大于上述承剪或承拉能力的翼缘木材承压能力，接力式地承担着整个工字梁翼缘/腹板接口部位的垂向荷载，当加压过程到达图6中的C点时，单板层积材LVL翼缘就会彻底被压坏，在一过程中，整个工字梁的翼缘/腹板接口部位的垂向承压能力将会彻底失效。正因为这一过程的存在，所以预组型木结构工字梁翼缘/腹板接口B点前后的弹性段曲线上会呈现出两个不同的斜率（图6）。

与先期破坏形式不同的是，翼缘/腹板接口的终极破坏（图8c）是因为胶合层拥有足够胶合强度（即有效胶合），当木结构工字梁的翼缘单板层积材具有足够的横纹抗拉能力，即到达B点时，木结构工字梁翼缘/腹板接口并不发生破坏；当木结构工字梁腹板槽头带着其两侧翼缘材料下落至翼缘槽底，由于木结构工字梁的胶合层承剪能力、翼缘横纹承拉能力和翼缘横纹承压能力一起，共同承担木结构工字梁的翼缘/腹板向下荷载，当到达C点处时（图7），木结构工字梁发生剪切、拉伸和压缩等综合性全面破坏（图8c）。由于剪切、拉伸和压缩三力合一，木结构工字梁终极破坏会显现出比先期破坏更高的垂向承载能力。试验表明：木结构工字梁终极破坏是从胶合层先期剪切、翼缘横纹先期拉伸发展到木结构工字梁整个接口系统的崩溃性，最终发生综合性全面破坏。终极破坏荷载是木结构工字梁接口的最大垂向抗压破坏荷载。

3 结 论

3. 1 预组型木结构工字梁翼缘/腹板接口的端头承压破坏可分为先期破坏（对应的是无效胶合或胶合不良）和终极破坏（对应的是有效胶合）二种主要形式。先期破坏主要是翼缘/腹板胶合层的剪切破坏，或工字梁槽底木材的横纹拉伸破坏；终极破坏的形式是工字梁胶合层剪切、翼缘槽底木材横纹拉伸和压缩的综合性全面破坏。

3. 2 终极破坏荷载是木结构工字梁接口的最大垂向抗压破坏荷载，因此要求木结构工字梁的接口几何尺寸的设计应努力避免垂向受压时不发生先期破坏；翼缘/腹板接口槽深设计时，应避免木结构工字梁垂向受压时胶合层的剪切破坏或翼缘槽底的横纹拉伸破坏。

3. 3 预组型木结构工字梁翼缘/腹板接口的承压能力研究，为IB工业化生产所用翼缘材料的适用性选择、翼缘/腹板接口的胶合性能判定和翼缘/腹板接口的承压能力要求提供了理论依据。

参考文献

[1] 加拿大林業协会. 中国轻型木结构房屋建筑施工指南[M]. 加拿大： 加拿大林业协会出版社， 2010.

[2] 中国国家标准化管理委员会， 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 单板层积材（GB/T20241-2006）[S]. 北京： 中国标准出版社， 2006.

[3] 国家林业局. 定向刨花板（LY/T1580-2000）[S]. 北京： 中国标准出版社， 2000.

[4] 中国国家标准化管理委员会， 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 建筑结构荷载规范（GB50206-2002）[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2002.

[5] 李军伟， 陈竹， 黄荣文. 木质工字梁翼缘/腹板接口胶合性能研究[J]. 林产工业， 2015（6）： 23 - 26 + 47.

[6] 李军伟， 陈竹， 黄荣文. 预组型木质工字梁翼缘/腹板接口的抗劈裂性能研究[J]. 林产工业， 2016（6）： 35 - 36 + 41.

第1作者简介： 李军伟（1974-）， 男， 硕士， 副教授， 国家职业技能鉴定高级考评员， 主要从事木材加工技术的教学与研究工作。

（责任编辑： 潘启英）