古代井盐架中空组合木柱预应力研究

付 磊， 李 辉， 张应迁， 刘贞乾， 曾凡英， 付 伶， 侯 虹， 王 波

(1. 四川轻化工大学 机械工程学院， 四川 自贡 643000； 2.四川大学 空天科学与工程学院， 四川 成都 610065；3.四川轻化工大学 土木工程学院； 四川 自贡 643000； 4.四川远建建筑工程设计有限公司， 四川 自贡 643000；5.四川轻化工大学 中国盐文化研究中心， 四川 自贡 643000； 6.自贡市盐业历史博物馆， 四川 自贡 643000)

0 引 言

井盐架，也称其为“天车”，是中国古代用于开凿小口深井、修治井以及提取卤水的支架[1].过去，工人们在制作天车时，通常将几百根杉木分别捆成木桩，用竹篾绳索扎固，并将利用松木楔子来楔紧木柱与竹篾绳索之间的缝隙，利用竹篾绳索产生的张紧力将木柱箍紧成一个整体，然后将捆扎好的木桩竖于盐井的井口，其外形结构[2-3]如图1所示.

图1天车结构示意图

图1中，天车架主斜柱及支斜柱，均系采用数根或多根衫木(现存天车架中主斜梁杉木最多根数为16根)围合而成的中空外圆的空心组合木柱.由于这种中空外圆的组合木结构仅用人力是难以用竹篾绳或钢丝绳箍紧，从而无法保证天车架的强度、刚度和稳定性[4]，在施工中，工人常采用在杉木与杉木之间及杉木与竹篾绳或钢丝绳之间间隙中打入松木楔子的办法，使竹篾绳或钢丝绳中产生横向预加应力，将空心组合木柱中的杉木箍紧.这种通过松木楔子箍紧产生的预应力使其能够承受较大的外荷载作用.中空外圆组合木结构CAD图如图2所示.

图2中空外圆木结构CAD图

从图2可见，这种特殊的空心木结构形式既节省材料又减轻了整个天车的重量，也同时有利于内部通风防止衫木腐烂[5].然而，迄今为止，国内外对这种中空外圆的预应力木结构的研究鲜有报道.鉴于此，本研究利用现代力学的检测手段来测试图3所示中捆扎空心组合木桩钢丝绳(代替竹篾绳索)的捆扎力以及预应力，并提出改进空心组合木柱捆扎工艺的措施.

1 实验方案

1.1 材 料

在实验中，制作空心组合木柱所选用的杉木强度等级为TC13B，材质等级为IIc，杉木含水量控制在5%以内，杉木应无虫蛀、腐蚀以及裂缝等缺陷.测试应变的钢板材料选用Q235B，焊接钢板，采用的焊条型号为E43.制作楔子所用的松木为TC13A马尾松，材质等为IIc，含水量控制在15%以内.箍扎衫木的钢丝绳采用3×7股的规格，钢丝绳直径d为1.4～1.6 mm，钢丝绳抗拉强度为1.4～2.0 MPa.测试应变的电阻应变片采用深圳品控科技开发有限公司生产的NMB电阻应变片.

1.2 预应力空心组合木柱试样制作

为使预应力测试更接近实际，实验所用空心组合木柱采用11根杉木制作而成，杉木外径约为200 mm.箍扎空心组合木柱采用3×7股的钢丝绳(钢丝绳直径d=1.4～1.6 mm)，将松木楔子楔紧空心组合木柱与钢丝绳之间的缝隙，钢丝绳产生的张紧力将木柱箍紧成一个整体，箍扎形成的空心组合木柱外径约为900 mm.箍扎形成的空心组合木柱结构实物图形状如图3所示.

图3空心组合木柱实验试样实物图

实验中，预应力空心组合木柱试件共制作3组，每根杉木的长度不小于2 m.每组空心组合木柱上用钢丝绳箍扎三道，每道钢丝绳间距为600 mm，每道钢丝绳至少绑6圈，箍扎组合木柱的钢丝绳两端与贴应变的钢板连接.箍扎形成的预应力空心组合木柱的结构形状尺寸如图4所示.

1.3 应变测试部件

实验中，空心组合木柱预应力测试部件主要由应变测试钢板、电阻应变片以及应变测试仪组成.应变测试钢板由Q235B钢板下料，经机械加工制作成尺寸为150 mm×80 mm×10 mm的测试试样.试样中部贴上电阻应变片.最后，用导线将电阻应变引脚线与电阻应变仪连接.预应力测试部件的实物图以及结构尺寸图如图5所示.

图4空心组合木柱实验试样结构尺寸

图5预应力测试部件结构图

1.4 测试步骤与测试要求

1.4.1 测试步骤

测试中，预应力测试共分3×3=9组，具体为：预应力钢丝绳捆绑好后，在打入楔子前测量电阻应变片中应变一次(共9组)；在打入楔子张紧钢丝绳后对电阻应变片产生的应变再测量一次(共9组).然后，将应变换算成应力，前后两次测量的应力之差即为钢丝绳中的预加应力，也即为空心组合木柱的预应力.应变测量简图如图6所示，详细测试步骤如下：

1)各道钢丝绳捆绑后均在未打入松木楔子时各测量一次应变.

图6应变测量位置示意图

2)仅A道绳与木柱空隙间打入松木楔子后，测量各道绳中的应变一次.

3)在B道绳与木柱空隙间打入楔子后，测量各道绳中的应变一次.

4)在C道绳与木柱空隙间打入楔子后，测量各道绳中的应变一次.

5)检查测量各道绳上楔子有无松动情况，若有松动应进行复打，复打后测量各道绳中的应变一次.

1.4.2 测试要求

为了使测试结果能够较好地模拟天车空心组合木柱实际捆扎的受力情况，本研究对实验试件的制作、捆扎工艺以及实验操作做出如下要求：

1)预应力空心组合木柱试件的制作，要求与实际天车架预应力空心组合木柱制作要求一样，试件长度应大于2 m.

2)预应力空心组合木柱试件制作时，不要求木柱试件外形呈上小下大的圆锥形.同时，不严格要求与天车架环境完全一致.

3)在预应力空心组合木柱试件上打入松木楔子时会对试件产生一定的振动.因此，应在试件与地面接触处加上隔震垫，以免影响应变的测试精度.

4)在预应力空心组合木柱试件上打入楔子前，应在组合木柱试件的地面垫上钢板(直径d≥1 200 mm)，以避免打入楔子所产生的振动造成整个试件间杉木的相互错动.同时，设计支架固定组合木柱以保证试件稳定.

2 实验结果

2.1 实验原始数据

按照确定的测试方法及要求，测量分3次进行，每次测得3组数据，共9组应变数据，分别如表1、表2以及表3所示.

2.2 空心组合木柱预应力计算

因实验钢板的应变属于弹性应变，故根据弹性应力应变的计算公式[6]有，

σ=Eε

(1)

式中，σ为钢板的拉应力，MPa；E为钢板的弹性模量，

表1 第1次实验钢板应变数据(×10-6，με)

表2 第2次实验钢板应变数据(×10-6，με)

表3 第3次实验钢板应变数据(×10-6，με)

MPa；ε为电阻应变片中测量的应变.

结合表1、表2以及表3的实验数据，即可求出各种加载情况下实验钢板的应力值，结果见表4.

表4 各种加载情况下钢板的应力(单位：MPa)

结合表4的计算结果，根据公式(2)计算出三根钢丝绳的拉力，由此可得到一根钢丝绳的拉力，再由公式(3)计算出一根钢丝绳的应力及预应力值，计算结果见表5.

F=wtσ

(2)

式中，F为钢板承受的预拉力，即钢丝绳中的预拉力,N；w为钢板宽度，mm；t为钢板厚度，mm.

(3)

式中，F为单根钢丝绳拉力,N；A为钢丝绳的面积，mm2.

表5 各种加载情况下单根钢丝绳的应力与

同时，从表1、表2以及表3可见，实验钢板的最大应变为749×10-6，将其带入式(2)，可计算出捆扎钢绳所承受的最大拉力Fmax为123.44 kN.

3 结 论

本研究首次发现天车支撑木桩这种特殊的中空外圆的组合木结构的预应力现象，并将其命名为预应力空心组合木结构.同时，创造性地设计了实验方案并成功测定了其受力性能.实验结果显示，这种特殊预应力空心组合木结构的捆扎力最大可达123.4352 kN，最大预应力值为107.532 MPa.因此，其具有很好的受力性能.

基于对实验过程以及结果的分析，本研究提出如下改进该结构力学性能的措施，具体包括：采用柔性好的钢丝绳捆扎以获得较大的捆扎应力；在捆扎过程中应尽量保证空心组合木柱具有较好的圆柱度；加紧楔子时应注意圆周方向以及轴向方向均匀锥紧，以免空心组合木柱沿外圆方向变形.