木结构工字梁的优化设计研究

李军伟 云建辉

摘要：  对木结构工字梁结构进行优化设计，并对木结构工字梁的规格尺寸及主要技术指标进行测试。研究结果表明：经优化设计后，木结构工字梁具有卓越的物理力学性能，能够满足使用相关性能的要求;木结构工字梁作为替代实木梁的木建筑构件，具有其突出的自身优势，木结构工字梁比实木梁具有更高的强度、刚度、尺寸稳定性，具有更大的跨度能力以及更小发生几率的翘曲、扭曲和劈裂，有更低的伸缩率。

关键词：  木结构工字梁;  优化设计;  技术指标

中图分类号：   S 781. 2， TU 531. 2                  文献标识码：   A                  文章编号：1001 - 9499（2019）02 - 0031 - 03

木结构工字梁是用林木速生材或小径材为原料的板材或木质复合材料等作为翼缘，以木质结构板材作为腹板，通过使用耐久性能优良的冷固性胶粘剂胶合而成的木质结构梁，在木结构建筑中称为工字搁栅。木结构工字梁具有卓越的物理力学性能，它使用了具有一定力学强度的单板层积材，通过优化结构设计，使得木结构工字梁具有更加均一的性能、连续的尺寸和密度。由于木结构工字梁可以根据翼缘的尺寸设计出不同的跨度，因而有更多的选择性和更大的灵活性。木结构工字梁由于翼缘和腹板使用了不同的木质复合材料，其重量要比实木工字梁轻便，更容易运输、装卸，减少了劳动力，节省成本。木结构工字梁结构坚实、质均且重量轻，在轻型木结构建筑中能够在很大的跨度上支撑大的荷载而不易弯曲下沉，同时能够减少木结构房屋由于收缩、起翘、弯曲、扭曲和开裂引起的地面不平整等一系列质量问题[ 1 ]，因而具有广阔的市场发展前景。

1 木结构工字梁的优化设计

1. 1 木结构工字梁受力分析

为了对木结构工字梁进行优化设计，需要对其受力情况进行简化处理。木结构工字梁在木结构建筑中使用时的受力形式可简化为承受均布荷载的简支梁，即工字梁的受力体现为梁受到均布荷载（q为荷载集度）的外力作用。木结构工字梁中间位置的弯矩最大，在材料种类和截面尺寸相同的情况下，弯矩越大则梁的形变量也越大，工字梁的形变量主要由力学指标中的挠度来表示。挠度是木结构工字梁静态力学性能的重要指标，也是木结构设计规范中主要的性能指标之一。

木结构工字梁上部翼缘主要承受来自上方荷载为P的压应力作用，lb为木结构工字梁翼缘宽度。由材料力学理论可知，梁中间腹板主要承受剪应力作用，梁下部翼缘主要承受拉应力作用。梁受力时，距离中性轴越远，则应力越大，所以在梁中间腹的中心轴上应力为零，而最大剪应力则发生在中性轴上[ 2 ]。在木结构工字梁受力的情况下，如果木结构工字梁结构和尺寸设计不合理，例如梁中间腹板设计厚度过小，或者腹板高度设计过大，都有可能会出现梁的侧向失衡。因此，木结构工字梁设计时，要充分考虑翼缘有足够的抗拉抗压能力，中间腹板要有足够的抗剪能力。

1. 2 木结构工字梁的构造设计

木结构工字梁是横截面为“I”型的木质结构梁，其结构通常是通过一个接口使两个翼缘和一个腹板组合成一个整体。

1. 2. 1 木结构工字梁的翼缘设计

为了使木结构工字梁具有良好的力学性能，在其翼缘材料的选择上要求上、下翼缘应使用同一树种木材，或物理力学性能相似的结构用木质材料;材料的厚度和木材的含水率尽可能保持一致。木结构工字梁的翼缘材料可采用规格锯材或结构用木质复合材料，其规格尺寸一般根据材料性能和所制备工字梁产品性能的要求进行选择。木结构工字梁翼缘材料选择规格工业速生材板材或锯材时，板材或锯材的材质质量要求符合国家标准GB50206《木结构工程施工质量验收规范》和GB50005《木结构设计规范》及相关的要求规定[ 3 ];工字梁翼缘材料选择结构用单板层积材时，材料质量要求和性能指标要求符合国家标准GB/T20241《单板层积材》的相关规定要求[ 4 ]。木结构工字梁的翼缘也可以使用指接集成材，翼缘使用长指接材时，长度要大于2 400 mm。木结构集成材的翼缘宽度一般要大于35 mm，厚度要大于30 mm。

1. 2. 2 木结构工字梁的腹板设计

木结构工字梁的腹板材料一般选用木质复合结构板材，例如采用定向刨花板（OSB）或结构胶合板。木結构工字梁的腹板规格尺寸，主要是依据所制作工字梁最终产品的性能要求来确定的。腹板为定向刨花板时，其质量和性能指标应符合林业行业标准LY/T 1580-2010《定向刨花板》的规定;腹板材料为结构胶合板时，其质量和性能指标要符合国家标准GB/T 22349《木结构覆板用胶合板》的相关规定。木结构工字梁的腹板材料也可接长使用，但要求腹板的厚度要大于9 mm。 在胶黏剂的选择上，粘接胶粘剂要使用结构型胶粘剂[ 5 ]，一般选用耐久性能优良的冷固性胶粘剂，木结构工字梁的胶合性能要符合国家标准GB/T 50329《木结构试验方法标准》的相关规定。

1. 2. 3 木结构工字梁的接口设计

木结构工字梁是以速生材为原料的板材作为翼缘，以木质复合结构板材作为腹板，通过一个接口使翼缘和腹板连接组合。翼缘/腹板的接口连接方式，一方面使木质工字梁得以成型，另一方面能起到传递荷载并赋予木结构工字梁更好的力学性能的目的。为了赋予木结构工字梁更好的力学性能，对木结构工字梁翼缘/腹板接口采用梯形槽接口形式，木结构工字梁翼缘/腹板梯形槽接口剖面结构如图4中所示。其中，β为工字梁梯形槽的接口角;i为工字梁梯形槽的接口高度;e为工字梁槽底间隙，也是工字梁生产工艺必需留有的空间;h为工字梁翼缘高度;b为翼缘宽度;tw为工字梁腹板厚度。在进行梯形槽接口角β和梯形槽接口高度i的设定时，主要考虑两个因素：一方面要考虑翼缘与腹板的胶合强度问题，另一方面要考虑木结构工字梁对荷载的承受能力。木结构工字梁的腹板上可以根据产品要求开洞口，产品说明中需要规定腹板洞口位置和洞口允许的最大尺寸;留有洞口的工字梁产品还需要再次进行力学性能的测试。

2 木结构工字梁的规格尺寸及主要技术指标测试

2. 1 木结构工字梁的规格尺寸及偏差

通过结构优化设计，可以满足木结构工字梁在不同使用环境下的性能要求。木结构工字梁的规格尺寸一般设计为：工字梁的长度尺寸2400～5 500 mm，工字梁翼缘宽度通常为35～90 mm;工字梁的高度尺寸一般为 240、300、350和400 mm。木结构工字梁的规格尺寸偏差如表1所示。

2. 2 木结构工字梁的主要技术指标测试

对木质复合材料结构工字梁进行的主要技术指标测试，本试验依据国家标准GB/T 50329《木结构试验方法标准》的相关规定进行。木质复合结构工字梁的主要技术指标测试结果：工字梁高度200 mm，长度3 m，重量4.6 kg/m，含水率12%～14%;工字梁翼缘尺寸：宽度80 mm，厚度40 mm;工字梁腹板厚度27 mm;木结构工字梁弯矩5.0 kN·m;剪切力11.2 kN，挠度1/500（允许形变量测试），弹性模量（E）10 200 N/mm2。

试验结果表明，木结构工字梁翼缘和腹板由于使用了不同的木质复合材料：翼缘采用结构多层胶合板，腹板采用定向刨花板（OSB），并采用了不同的尺寸规格：工字梁长度为3 mm、高度200 mm、工字梁翼缘宽度80 mm、翼缘厚度40 mm，这样设计生产出的木结构工字梁具有较高的强度、刚度和尺寸稳定性，具有更大的跨度能力以及更小发生几率的翘曲、扭曲和劈裂，有更低的伸缩率，可以满足轻型结构木建筑中对工字梁性能的基本要求。

3 结 论

3. 1 木结构工字梁是利用可再生资源生产的建筑构件。在木结构工字梁的翼缘和腹板部分，使用不同的木质复合材料来代替以优质实木为原料的实木梁，故是节能型、循环经济和保护生态环境大背景下木材工业发展的新模式。

3. 2 通过对木结构工字梁结构进行优化设计，使得木结构工字梁具有更加均一的性能、连续的尺寸和密度。试验表明，木结构工字梁具有卓越的物理力学性能，能更好地满足轻型结构木建筑中对工字梁力学性能和产品成本的要求。

3. 3 木结构工字梁是一种资源高效利用型现代木质建筑材料，其作为替代实木梁的木建筑构件具有突出的自身优势。通过对木结构工字梁的优化设计，研究探索速生林木的高效利用，为木质工字梁的工业化生产奠定了理论基础。

参考文献

[1] 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 - 41.

[2] 李军伟，  陈竹.  预组型木质工字梁承压能力研究[J].  林业科技，  2018（2）：  50 - 53.

[3] 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.

[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.  单板层积材（GB/T20241-2006）[S].  北京：  中国标准出版社，  2006.

[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.

第1作者简介：  李军伟（1974-），  男，  碩士，  副教授，  研究方向：  主要从事木材加工技术相关的教学与研究。

通讯作者：  云建辉（1981-），  女，  在读博士，  讲师。

收稿日期： 2018 - 12 - 25

（责任编辑：   潘启英）