意楊單板層積材受彎構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能的試驗研究

董國慶，王嘉航

(1.東南大學(xué)成賢學(xué)院，南京 210009;2.蘇州科技學(xué)院土木學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

目前在世界范圍內(nèi)，大徑級的優(yōu)級原木日益短缺，價格上漲，因此很多發(fā)達國家將工程木引入建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。工程木是以原木為主要材料，采用高性能的環(huán)保膠粘劑，利用現(xiàn)代技術(shù)加工制成的復(fù)合木材。此類結(jié)構(gòu)主要包括層板膠合木(Glalam)、單板層積材(LVL)、平行木片膠合木(PSL)等。它們不僅保留了實木的優(yōu)良特性，還具有材質(zhì)均勻、許用應(yīng)力高、防腐、防潮等特點。

單板層積材(Laminated Veneer Lumber，簡稱LVL)是由2.0mm～5.5mm厚單板沿順紋方向組坯膠合而成的木質(zhì)復(fù)合材料。單板層積材具有輕質(zhì)高強、力學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)的木結(jié)構(gòu)材料。

我國目前是世界上擁有最大面積的人工速生林國家。豐富的資源以及LVL的優(yōu)良特性將會使其成為今后最主要的木質(zhì)產(chǎn)品之一。我國對LVL的研究應(yīng)用還處于初期。

通過北方速生樹種意楊LVL受彎構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能試驗研究，對試驗結(jié)果的分析來說明意楊LVL在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用可行性及發(fā)展前景。

1 試驗材料及制備

本次試驗研究中，加工單板層積材的原材為江蘇北方速生樹種意楊;膠粘劑為單板層積材加工采用的膠粘劑酚醛樹脂。單板層積材加工流程見圖1。LVL受彎構(gòu)件的加工流程:單板層積材截鋸—配板—涂膠—加壓膠合—養(yǎng)護—整形加工—檢驗。

圖1 單板層積材加工示意圖

2 試驗方案

2.1 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件數(shù)量為12個，LVL受彎試件設(shè)計主要考慮了兩個影響參數(shù):(1)單板厚度:單板厚度分為兩種，為1.6mm和2.4mm。(2)梁截面與跨度即梁體積:采用2種截面和跨度。相同參數(shù)構(gòu)件為一組，每組數(shù)量為3個，各構(gòu)件參數(shù)見表1。

表1 各構(gòu)件參數(shù)

2.2 加載方案

試驗采用兩點靜力逐級加載方案。試驗中，加荷速度控制在使構(gòu)件約8min左右達到破壞，加荷等級為1kN。試驗方法參照了《木結(jié)物理力學(xué)試驗方法總則》及美國相關(guān)木材試驗標準。試驗設(shè)備主要包括靜力架、油壓千斤頂、分配梁、支座以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗裝置見圖2。

圖2 試驗裝置

試驗時在梁支座、跨中及加載點附近安裝了位移計，同時在部分構(gòu)件跨中，沿梁截面高度設(shè)置了電阻應(yīng)變片，這些儀器主要用來量測跨中撓度和曲率，應(yīng)變片還用于驗證平截面假定的適用性。

3 試驗過程及結(jié)果

3.1 構(gòu)件試驗全過程描述

試驗現(xiàn)象:加載初期，撓度隨荷載增加而增加，構(gòu)件基本處于彈性工作階段;加載過程中，撓度變化較均勻;加載后期，構(gòu)件出現(xiàn)塑性變形，剛度有所降低，變形明顯加大，并伴有斷續(xù)的輕微響聲;構(gòu)件達到極限狀態(tài)時，突然斷裂破壞，并發(fā)出大的響聲。所有構(gòu)件破壞源于純彎段受拉區(qū)邊緣。

3.2 構(gòu)件破壞形態(tài)與破壞機理

構(gòu)件破壞均為受拉區(qū)斷裂破壞。在構(gòu)件純彎區(qū)段內(nèi)，截面底部拉應(yīng)力達到抗拉強度，導(dǎo)致單板拉斷，產(chǎn)生裂縫，并且裂縫迅速展開，最終構(gòu)件發(fā)生斷裂破壞，見圖3。通常構(gòu)件破壞時，受壓區(qū)沒有壓皺的痕跡。

圖3 跨中斷裂破壞形態(tài)

當加工質(zhì)量不滿足要求時，會發(fā)生膠縫開裂破壞，這種構(gòu)件為失效構(gòu)件。在本次實驗中，B1第三個構(gòu)件發(fā)生膠縫開裂見圖4，為失效構(gòu)件。

圖4 跨中斷裂破壞形態(tài)

3.3 試驗結(jié)果及分析

加載荷載與撓度實測的部分結(jié)果見表2。

試驗數(shù)據(jù)處理方法如下。先確定數(shù)據(jù)的有效性，將每組構(gòu)件加載荷載實測數(shù)據(jù)PMAX加以平均得，保證:

當滿足式(1)為有效數(shù)據(jù)，將每組構(gòu)件中的有效試驗數(shù)據(jù)加以平均，然后將荷載—位移曲線進行對比，見圖5。

由圖5可知:

(1)楊木LVL構(gòu)件沒有明顯的屈服平臺和下降段，最后破壞時，構(gòu)件撓度很大;LVL構(gòu)件荷載位移曲線形狀平滑程度基本相同，離散性小，性能穩(wěn)定;另外，單板厚度越薄，拉應(yīng)變越大，破壞變形越明顯。

(2)跨度為2250mm，單板厚度為1.6mm比2.4mm的LVL構(gòu)件極限荷載略有提高，平均約為5.67%;而跨度為2700mm平均提高約為13.46%;同時，隨著構(gòu)件體積的增加，單板厚度為1.6mm和2.4mm的LVL構(gòu)件極限荷載分別相應(yīng)提高約為15.52%和7.58%。

圖5 荷載位移曲線對比

楊木LVL構(gòu)件的極限荷載、抗彎剛度隨著構(gòu)件體積變大而增加，但增加程度不同，單板厚度越薄，增加越多;同時LVL構(gòu)件的極限荷載、抗彎剛度隨著單板厚度的增加而減少，但LVL構(gòu)件的體積越大，變化越明顯。由此可得，單板厚度和梁體積均會影響LVL構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能。

由試驗結(jié)果計算得表3，所采用計算公式如下:

抗彎強度:f=aFu/2W;

彈性模量:E=al2△F/16I△ω;

a—加載點至反力支座之間的距離，mm

W—實際梁截面抵抗距，mm3

Fu—最后破壞時的荷載即極限荷載，N

f—梁的抗彎強度，N/mm2

l—測量撓度的標距，mm

I—實際截面的慣性矩，mm4

△F—在比例極限內(nèi)荷載增量，N

△ω—在荷載增量作用下，在范圍內(nèi)的中點撓度，mm

E—純彎區(qū)段的純彎彈性模量，N/mm2

由此可知:

(1)跨度為2250mm，單板厚度為1.6mm比2.4 m m的L V L構(gòu)件抗彎強度平均提高約為6.45%;而跨度為2700mm平均提高約為6.47%;同時，隨著構(gòu)件體積的增加，單板厚度為1.6mm和2.4mm的LVL構(gòu)件抗彎強度分別相應(yīng)提高約為11.17% 和11.19%。楊木LVL構(gòu)件體積越小，單板厚度越薄，其強度變異系數(shù)越小，這主要是因為單板越薄，LVL構(gòu)件材質(zhì)更均勻，但相對成本要高，一般結(jié)構(gòu)用LVL單板厚度取2～5.5mm。

表2 荷載—撓度試驗結(jié)果

(2)LVL彈性模量隨著體積增加而降低，隨著單板厚度減小而增加。

表3 單板層積材受彎構(gòu)件的抗彎強度、彈性模量

4 結(jié)論

單板層積材是一種高性能、生態(tài)環(huán)保的新型建筑材料，在大跨公共建筑(如體育館、展覽館、音樂廳等)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

試驗結(jié)構(gòu)表明，楊木LVL比普通楊木鋸材在強度上有大幅度提高;楊木LVL受彎構(gòu)件的破壞源于受拉區(qū)邊緣木材纖維的拉斷，導(dǎo)致構(gòu)件突然斷裂破壞，但最終破壞時，構(gòu)件撓度很大。LVL單板厚度對其受彎構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能有影響，單板越薄，性能越好。隨著LVL構(gòu)件體積增加，承載力提高，其抗彎強度降低。在荷載作用下，LVL受彎構(gòu)件一般經(jīng)歷兩個階段:彈性工作階段和彈塑性工作階段。

控制好楊木LVL的加工質(zhì)量，采用適當?shù)膯伟搴穸群蜅钅綥VL結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，楊木LVL作為建筑上結(jié)構(gòu)用材將有很大的發(fā)展空間。

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