木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓和彎曲性能研究

金明敏 胡英成

摘要 利用一種簡單的插入-膠合方法，以楊木單板層積材和樺木圓棒榫制備了一種新型的木質(zhì)基柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu);采用正態(tài)測試方法和無損檢測方法分別對圓棒榫和面板進(jìn)行優(yōu)選以降低木材變異性對試驗(yàn)結(jié)果的影響;對由2種不同圓棒榫尺寸制備的夾芯結(jié)構(gòu)的平壓和彎曲性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，運(yùn)用理論模型來預(yù)測該種夾芯結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果表明，理論預(yù)測值大于實(shí)測值;平壓試驗(yàn)的主要失效模式是圓棒榫的剪切破壞，與此同時該種夾芯結(jié)構(gòu)在平壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的能量吸收能力，而這一性能對其在木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的安全性極為重要;該種夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲性能與相對密度存在一定的線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞 點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu);無損檢測;理論預(yù)測;木質(zhì)復(fù)合材料;剪切失效

中圖分類號 S785 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11760-06

Compressive and Bending Behaviours of Wood-based Two-dimensional Lattice Truss Core Sandwich Structures

JIN Ming-min， HU Ying-cheng*

（Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education of China， College of Material Science and Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract In order to reduce the influence of woods variability， normality test and non-destructive test were used to optimal select dowels and facesheets， respectively. The out-of-plane compressive and bending behaviours of sandwich structures made of two different dowels size were investigated. Analytical models were employed in this study to predict the compressive collapse strength and Youngs modulus of the sandwich structures. The theoretical predictions are larger than the experimental results. The failure modes of the sandwich structures are represented by the shear failure of the dowels under out-of-plane compressive loads; meanwhile， The out-of-plane compressive behaviours of the sandwich structures demonstrate a good energy absorption capability which is an important factor for the safety of wooden construction. The bending behaviours of the sandwich structures indicate that its mechanical properties and relative density has an certain linear relationship.

Key words Lattice truss core sandwich structure; Non-destructive test; Theoretical prediction; Wood composites; Shear failure

基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170516，31470581）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DL12EB03）。

作者簡介 金明敏（1989- ），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)材料性能研究。

收稿日期 2014-09-30

近年來，由于突出的比強(qiáng)度和比剛度以及較大的相互連通空間，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被作為最有前景的新一代材料。最初，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)度的鋁合金如鈦[1]和鋁[2]來設(shè)計(jì)和制備的。Wicks等基于指定的彎曲和橫向剪切載荷來優(yōu)化設(shè)計(jì)該種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)[3]。除此之外，該種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)被多名學(xué)者所研究[4-7]。

低密度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，被用于制備超輕點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。Li等研究了全復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)在端壓時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，研究表明節(jié)點(diǎn)破壞是碳纖維增強(qiáng)材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的主要失效形式[8]。Xiong等在理論和試驗(yàn)2個方面研究了碳纖維增強(qiáng)材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的純剪切和三點(diǎn)彎曲性能，實(shí)測的失效載荷與分析預(yù)測的失效載荷相吻合，失效機(jī)制圖解釋了在眾多參數(shù)空間中的控制失效機(jī)制[9]。Fan等研究了不同厚度面板對點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的壓縮行為和彎曲性能的影響，研究表明對于堅(jiān)硬的面板而言，其主要的破壞形式是分層[10]。Xiong等探索了碳纖維增強(qiáng)材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞模式[11]。上述點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)由特殊金屬或者碳纖維增強(qiáng)材料制備而成，被用于高速交通和航天航空工程，但在木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域尚未見有運(yùn)用木質(zhì)復(fù)合材料來制備點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道。

木材是一種高效的材料。集成材、工字梁及單板層積材（LVL）等是已廣泛應(yīng)用的木質(zhì)工程材，也是“劣材優(yōu)用”的典型產(chǎn)品。Yashida等研究了橡膠木平行膠合板的彎曲性能，研究表明與標(biāo)準(zhǔn)提供的分級規(guī)定相比較，該樹種適合用于制備膠合板作為木質(zhì)工程材[12]。鮑甫成等研究了人工楊木材性對單板層積材強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率，提出了衡量單板層積材強(qiáng)度中實(shí)木材性所占份額的貢獻(xiàn)率概念，以揭示實(shí)木材性對單板層積材強(qiáng)度的貢獻(xiàn)程度[13]。雖然傳統(tǒng)的木質(zhì)工程材可在一定程度上克服木材固有的一些缺點(diǎn)，拓寬木材的應(yīng)用領(lǐng)域，使木材資源得到高效利用，然而其相對較低的強(qiáng)度、較大的自重和較高的價格仍在一定程度上限制了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，對木質(zhì)工程材料從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化，從而節(jié)約材料以降低成本、減輕重量，并且能夠賦予材料更好的性能，是一個重要的研究課題。

木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)由于其較好的比強(qiáng)度和比剛度被用作輕質(zhì)木質(zhì)工程材。Tamami等制備了木質(zhì)層板作為面板和低密度纖維板作為芯層的夾層板用于剪力墻和樓板，并研究了其面內(nèi)剪切性能[14]、隔熱和保溫性能[15]以及不同面板材料、面板厚度和芯層密度對力學(xué)性能的影響[16]。研究表明，該種夾層板的隔熱性能優(yōu)于保溫性能，且質(zhì)輕、具有足夠的膠接強(qiáng)度和很好的尺寸穩(wěn)定性。Banerjee等使用三層膠合板制備了一種波紋狀芯子，采用三層膠合板作面板制備成夾層結(jié)構(gòu)，并分析了其面外剪切性能以及在載荷下的破壞形式[17]。Vijayasimha Reddy等制備了2種絲棉木作為面板、鋁蜂窩作為芯層的夾層板，并研究了其在靜態(tài)載荷和低速沖擊載荷作用下的能量吸收能力的響應(yīng)。研究表明，該種夾層板的能量吸收能力與靜態(tài)載荷條件相比，隨著動態(tài)載荷的增加而增大[18]。盡管該種木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)有效降低了自身重量，但由于其芯層的封閉性設(shè)計(jì)限制了多功能化的實(shí)現(xiàn)。鑒于此，筆者基于一種相互連通的大空間設(shè)計(jì)，在木質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上運(yùn)用木質(zhì)復(fù)合材料制備了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，旨在為優(yōu)化木質(zhì)工程材的結(jié)構(gòu)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

樺木圓棒榫購自黑龍江哈爾濱騰展木業(yè)有限公司;

楊木LVL購自山東壽光富士木業(yè)有限公司;

膠黏劑購自黑龍江哈爾濱綠時代膠業(yè)有限公司。

1.2 直柱型單元設(shè)計(jì)

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的單胞示意圖見圖1。單胞中圓棒榫的直徑和長度分別為d和l0，單胞的長、寬分別為a和b，上、下面板厚度均為tf，鉆孔深度為c，芯層高度為l。則點(diǎn)陣芯子的相對密度（點(diǎn)陣芯子密度與組成點(diǎn)陣單元的實(shí)體材料密度的比值）為：

=πd24ab（1）

l=l0-2c（2）

圖1 直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)單胞示意

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)見表1。

表1 I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

注：I型指的是相對密度為2.18%的木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu);II型指的是相對密度為3.14%的木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。

1.3 原材料力學(xué)性能和制備工藝

1.3.1 樺木圓棒榫。

樹種為白樺，尺寸分別為長度50 mm直徑12 mm （L50D12）、長度50 mm 直徑10 mm （L50D10）。

1.3.2 楊木LVL。

幅面為1 510 mm×1 200 mm×18 mm。使用圓鋸機(jī)進(jìn)行鋸制，試件尺寸分別為為60 mm×60 mm×18 mm（平壓試件面板）、428 mm×50 mm×18 mm（L1）、1 260 mm×60 mm×18 mm（L2）。

1.3.3 制備工藝。

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是通過一種簡單的插入-膠合方法制備的（圖2）。根據(jù)無損檢測的結(jié)果，從40個L2試件中優(yōu)選出20個試件作為彎曲試件的面板。對面板進(jìn)行鉆孔作業(yè)，然后將圓棒榫的兩端插入已開榫的面板中，并通過膠黏劑膠合。按照100∶15的質(zhì)量比將乳白膠與高分子異氰酸酯均勻混合待用。

注：a.在面板上鉆孔;b.在鉆孔中施加適量膠黏劑;c.將鉆孔后的面板與圓棒榫組裝;d.施加適當(dāng)壓力成型。

圖2 利用楊木LVL和樺木圓棒榫來制備直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)

1.3.4 測試。

1.3.4.1 圓棒榫柱狀壓縮測試。

由于圓棒榫的幾何形狀為圓柱形，不同于檢測木材壓縮強(qiáng)度和彈性模量的矩形試件（60 mm×20 mm×20 mm），為了更好地預(yù)測木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓性能，需要單獨(dú)測試圓棒榫的壓縮性能。從2種尺寸的圓棒榫中各隨機(jī)選出50個，稱重以計(jì)算密度，并將圓棒榫的兩端套上2個鐵件（圓棒榫插入鐵件的深度為 10 mm）并保持上下平行，放置于2個相互平行且堅(jiān)硬的圓盤上，使用SANS CMT5504型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)（圖3）。對得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Origin軟件中的正態(tài)測試方法進(jìn)行分析，將優(yōu)選的圓棒榫用作木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣桁架。

圖3 樺木圓棒榫的柱狀壓縮測試

1.3.4.2 楊木LVL的無損檢測方法和靜態(tài)力學(xué)破壞試驗(yàn)。

取L1試件9個和L2試件50個，采用彎曲振動方法[19]，使用ONO SOKKI CF-5220Z型FFT分析儀測得試件的共振頻率，并計(jì)算得到各個試件的動態(tài)彈性模量Ef。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法4.7 靜曲強(qiáng)度和彈性模量測定（三點(diǎn)彎曲）》[20]的有關(guān)規(guī)定，對L1試件的靜態(tài)彈性模量（MOE）和靜曲強(qiáng)度（MOR）采用靜態(tài)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行檢測。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899-2011《結(jié)構(gòu)用集成材 5.3 抗彎性能試驗(yàn)》[21]，從50個L2的試件（彎曲試件的面板）中隨機(jī)抽取10個試件，對其MOE和MOR進(jìn)行檢測，其余40個試件不進(jìn)行破壞試驗(yàn)。

1.3.4.3 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓試驗(yàn)。

根據(jù) ASTM C365-05 標(biāo)準(zhǔn)，平壓試件寬度的最大值為60 mm;且進(jìn)行平壓試驗(yàn)的圓盤直徑為100 mm，故設(shè)計(jì)平壓試件尺寸為60 mm×60 mm×60 mm，試驗(yàn)溫度為（20±2） ℃，濕度為（65±5）%。平壓試驗(yàn)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移加載方式，加載速率為2 mm/min。試驗(yàn)裝置見圖4。

圖4 平壓試驗(yàn)裝置

1.3.4.4 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲試驗(yàn)。

由于木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有較大的相互連通的空間且厚度較一般夾層結(jié)構(gòu)要大，故直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)彎曲試驗(yàn)參照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899-2011.5《結(jié)構(gòu)用集成材 第五部分：彎曲性能測試》采用四點(diǎn)彎曲方法來檢測其MOE和

MOR，試件尺寸為1 260 mm×60 mm×60 mm，跨距為1 080

mm，在跨距中點(diǎn)使用撓度計(jì)測量彎曲試件的撓度變形值（載荷區(qū)間為300～700 N），圓柱形加載輥直徑為30 mm（圖5）。

試驗(yàn)使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行加載，采用位移加載模式，加載速率為10 mm/min。

圖5 使用撓度計(jì)測量夾芯結(jié)構(gòu)的跨中撓度

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)原材料力學(xué)性能

由圖6可知，L50D10圓棒榫和L50D12圓棒榫的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果在0.05的檢驗(yàn)水平下均符合正態(tài)分布，而且其質(zhì)量與壓縮強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)（R）分別為 0.370 51和0.612 07，均大于R48，0.05 = 0.278 71，可以認(rèn)為2種圓棒榫的質(zhì)量與壓縮強(qiáng)度具有密切的線性相關(guān)性。因此，分別選取質(zhì)量范圍為1.96～2.96 g（L50D10）和3.20～3.80 g（L50D12）的圓棒榫作為點(diǎn)陣桁架。由表2可知，優(yōu)選后的圓棒榫各項(xiàng)性能的變異系數(shù)都明顯低于未篩選試件。

注：a.L50D10圓棒榫;b.L50D12圓棒榫。

圖6 樺木圓棒榫壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的正態(tài)測試結(jié)果

表2 L50D10圓棒榫和L50D12圓棒榫的力學(xué)性能

注：括號中的數(shù)值為變異系數(shù)。

表3 L1試件和L2試件的力學(xué)性能

注：括號中的數(shù)值為變異系數(shù)。

由表3可知，2種尺寸的楊木LVL的MOR變異系數(shù)較大，而MOE和Ef的變異系數(shù)相對較小;L1試件的MOR大于L2試件，而L1試件的MOE卻小于L2試件;2種尺寸的楊木LVL的MOE均小于Ef。其原因可以認(rèn)為是：

①通過局部加載測得的靜態(tài)彈性模量只能反映材料上某一部位的性能，不能像動態(tài)測試那樣反映出材料整體的性能;

②木質(zhì)材料在靜曲試驗(yàn)時可能會受到蠕變等粘彈性因素的影響;

③木質(zhì)材料在靜曲試驗(yàn)條件下，加載速度較慢，其吸收滯后效應(yīng)充分發(fā)生，而在動態(tài)測試的條件下，吸收滯后效應(yīng)來不及發(fā)生;

④四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)較三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)施加載荷更均勻，不易導(dǎo)致應(yīng)力集中而過早破壞;與此同時，LVL的生產(chǎn)工藝也有效降低了木材本身變異性大的影響。

為探討楊木LVL動態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)緊密程度及相關(guān)性模型形式，分布對2種尺寸的楊木LVL的彎曲振動Ef與MOE進(jìn)行相關(guān)性分析。

對L1試件的Ef和MOE進(jìn)行線性擬合分析（圖7A），得到線性擬合方程為：Ef=1.132 35MOE+0.257 05，由于相關(guān)系數(shù)R=0.969 2>R8，0.05=0.631 9，因此可以認(rèn)為L1試件的Ef和MOE具有密切的線性相關(guān)性。對L2試件的Ef和MOE進(jìn)行線性擬合分析（圖7B），得到線性擬合方程為：Ef=0.751 68MOE+3.603 15，由于相關(guān)系數(shù)R=0.920 86>R9，0.05=0.602 07，因此可以認(rèn)為L2試件的Ef和MOE具有密切的線性相關(guān)性。

注：A.L1試件;B.L2試件。

圖7 線性擬合曲線

綜上可知，使用無損檢測方法來預(yù)測彎曲試件的MOE是可行的。對50個L2試件的Ef 進(jìn)行正態(tài)測試，試驗(yàn)結(jié)果在0.05的檢驗(yàn)水平下符合正態(tài)分布（圖8）。從40個未破壞的試件中選取Ef范圍為11.06～12.48 GPa 的20個試件作為彎曲試件的面板。將優(yōu)選面板的Ef值從小到大進(jìn)行排序，分成2組，按照一一對應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行配對，作為彎曲試件的上下面板。

圖8 彎曲試件面板Ef的正態(tài)測試結(jié)果

2.2 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓性能

I型和II型

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓載荷-位移曲線見圖9a，均可分為3個階段，分別是線彈性階段、波浪式上升階段和越過載荷峰值之后的平臺階段。面板與圓棒榫組成一個串聯(lián)系統(tǒng)，共同承擔(dān)增加的載荷。在第1階段，即線彈性階段，隨著位移的增加，載荷迅速上升，可以認(rèn)為在該階段的圓棒榫和面板都處于彈性變形狀態(tài)。I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平均平壓彈性模量分別為59.54和84.50 MPa。此時，試件表面未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象。在第2階段，即塑性階段，隨著位移的增加，載荷增長的速率減小，呈波浪形增長，與第1階段區(qū)分明顯。由于圓棒榫長徑較大，而且面板通過鉆孔作業(yè)之后其厚度相對較小，所以其失效模式主要表現(xiàn)為圓棒榫的剪切破壞（圖9b、c）。I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平均平壓強(qiáng)度分別是1.41和1.91 MPa。在越過載荷峰值之后，進(jìn)入第3階段，隨著位移的變化，載荷并非迅速下降，而是有一段較長的平臺區(qū)域。

2.3 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲性能

I型和II型

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲載荷-位移曲線見圖10，

分為2個階段，分別為線彈性階段和曲線增長速率緩慢減小階段。在線彈性階段，曲線呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，I型和II型

注：a.I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓載荷-位移曲線;b.I型的失效模式;c.II型的失效模式。

圖9 平壓試驗(yàn)

圖10 彎曲載荷下I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線

木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平均MOE分別為2.53和3.50 GPa。隨著位移的增加，載荷增加的速率降低，直至到達(dá)載荷峰值。I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的MOR分別為 15.09和21.11 MPa。理想狀態(tài)夾芯梁的受力情況為：彎矩主要由上、下面板承擔(dān)，上面板承受壓縮載荷，下面板承受拉伸載荷;而中間芯層主要承受橫向剪切載荷[22]。由于木材的拉伸性能優(yōu)于壓縮性能，而且楊木LVL是由楊木單板通過膠黏劑粘接而成;在壓縮載荷的作用下，上面板在靠近加載點(diǎn)的地方易發(fā)生分層現(xiàn)象（圖11a）。夾芯梁的變形不同于普通梁[22]（圖11b）。芯層的圓棒榫沒有拔出，但因橫向剪切力的作用，出現(xiàn)脫膠破壞現(xiàn)象（圖11c）。

彎曲試驗(yàn)的主要失效模式是上下面板在跨中附近的地方出

現(xiàn)破壞（圖11d）。

注：a-I、a-II分別為I型、II型上面板分層;b-I、b-II分別為I型、II型夾芯梁的彎曲變形;c-I、c-II分別為I型、II型圓棒榫脫膠破壞;d-I、d-II分別為I型、II型上下面板在跨中破壞。

圖11 彎曲載荷下I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的失效模式

表4 I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的實(shí)測和預(yù)測平壓強(qiáng)度和壓縮彈性模量的比較

注：括號中的數(shù)值為變異系數(shù)。

3 討論

3.1 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓性能

由于圓棒榫長度方向?yàn)槟静捻樇y方向（木材順紋方向的拉壓性能優(yōu)于其橫紋方向），且為了便于理論預(yù)測，該研究將圓棒榫看成橫觀

各向同性材料;通過膠黏劑的膠合作用，圓棒榫固定在榫槽

內(nèi)，可以將其看成剛體。據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的等效壓縮強(qiáng)度和等效壓縮彈性模量可表示為：

σc=πd24abσy（3）

Ec=πd24abEy（4）

式中，σy和Ey分別為圓棒榫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量。

I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的實(shí)測和預(yù)測平壓強(qiáng)度和壓縮彈性模量見表4，II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量要優(yōu)于I型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu);I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)實(shí)測的平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量均小于理論預(yù)測值。I型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量分別比預(yù)測值小21.28%和17.88%;II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量分別比預(yù)測值小19.90%和26.47%。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可能是：

①L50D12圓棒榫的力學(xué)性能要優(yōu)于L50D10圓棒榫，主要表現(xiàn)在所能承受的最大壓縮載荷、壓縮彈性模量和受力面積上;

②在檢測圓棒榫力學(xué)性能時，圓棒榫的兩端用鐵質(zhì)工具固定，可以認(rèn)為圓棒榫在受壓時只發(fā)生軸向（即順紋方向）變形，且鐵質(zhì)工具不可壓縮;而平壓試件在受壓時，上下面板與圓棒榫共同分擔(dān)施加的載荷，上下面板是可壓縮的，且楊木LVL材質(zhì)較軟。

試驗(yàn)結(jié)果表明，木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平臺區(qū)域平壓性能的載荷-位移曲線在越過峰值點(diǎn)之后，都有一個較長。II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)要大于I型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的平臺區(qū)域。較大的平臺區(qū)域表明木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有較好的能量吸收能力[24]，這對于木結(jié)構(gòu)的安全很重要。比如在遇到地震等突發(fā)狀況時，該結(jié)構(gòu)不會瞬間失效，留給人們充足的逃生時間。

3.2 木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲性能

由圖12可知，II型的彎曲性能要優(yōu)于I型。II型的相對密度是I型的1.44倍，而II型的MOR和MOE分別是I型的1.40和1.38倍。I型和II型的MOR和MOE的變異系數(shù)分別為3.55%、7.83%、4.40%和5.55%，均小于10%。

圖12 I型和II型木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)彎曲性能比較

4 結(jié)論及展望

該研究首次將楊木LVL和樺木圓棒榫通過插入-膠合的方法來制備木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：

①對圓棒榫進(jìn)行優(yōu)選，有效降低了木材本身變異性大的影響。因此，直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)平壓性能的變異系數(shù)均在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi);

②采用無損檢測方法對彎曲試件的面板進(jìn)行優(yōu)選是可行的，并能有效控制彎曲性能的變異性;

③木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)平壓性能的試驗(yàn)結(jié)果小于理論預(yù)測值。為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測平壓性能，應(yīng)在原有理論的基礎(chǔ)上考慮面板的力學(xué)性能，提出適用于預(yù)測木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)平壓性能的理論;為了增大相互連通的空間，應(yīng)增加圓棒榫的長徑比;為了提高平壓性能，應(yīng)選擇材性較硬的面板材料;

④圓棒榫的尺寸對木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲性能有影響，與相對密度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。這是因?yàn)長50D12的圓棒榫較L50D10的圓棒榫能提供更好的橫向剪切力，這主要體現(xiàn)在圓棒榫本身的力學(xué)性能和膠接面積上。為了提高彎曲性能，應(yīng)選擇力學(xué)性能更好的面板;為了提高橫向剪切力，應(yīng)提高面板和點(diǎn)陣桁架的結(jié)合能力。

因此，后續(xù)工作將專注于改進(jìn)生產(chǎn)工藝和合理地選擇試驗(yàn)原材料，以提高木質(zhì)基直柱型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能;與此同時，優(yōu)化設(shè)計(jì)木質(zhì)基點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的構(gòu)型也是一個重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] QUEHEILLALT D T，WADLEY H N G.Titanium alloy lattice truss structures[J].Mater Des，2009，30（6）：1966-1975.

[2] KOOISTRA G W，DESHPANDE V S，WADLEY H N G.Compressive behavior of age hardenable tetrahedral lattice truss structures made from aluminum[J].Acta Mater，2004，52（14）：4229-4237.

[3] NATHAN WICKS，HUTCHINSON JOHN W.Optimal truss plates[J].Int J Solids Struct，2001，38：5165-5183.

[4] DESHPANDE V S，F(xiàn)LECK N A，ASHBY M F.Effective properties of the octet-truss lattice material[J].J Mech Phys Solids，2001，49：1747-1769.

[5] YUNGWIRTH CHRISTIAN J，RADFORD DARREN D，ARONSON MARK，et al.Experiment assessment of the ballistic response of composite pyramidal lattice truss structures[J].Composite：Part B，2008，39（3）：556-569.

[6] COTE F，F(xiàn)LECK N A，DESHPANDE V S.Fatigue performance of sandwich beams with a pyramidal core[J].Int J Fatigue，2007，29（8）：1402-1412.

[7] RUSSELL B P，DESHPANDE V S，WADLEY H N G.Quasistatic deformation and failure modes of composite square honeycombs[J].J Mech Mater Struct，2008，3（7）：1315-1340.

[8] LI M，WU L Z，MA L，et al.Structural response of all-composite pyramidal truss core sandwich columns in end compression[J].Compos Struct，2011，93：1964-1972.

[9] XIONG J，MA L，PAN S，et al.Shear and bending performance of carbon fiber composite sandwich panels with pyramidal truss cores[J].Acta Mater，2012，60：1455-1466.

[10] FAN H，YANG L，SUN F，et al.Compression and bending performances of carbon fiber reinforced lattice-core sandwich composites[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2013，52：118-125.

[11] XIONG J，ZHANG M，STOCCHI A，et al.Mechanical behaviors of carbon fiber composite sandwich columns with three dimensional honeycomb cores under in-plane compression[J].Composites Part B：Engineering，2014，60：350-358.

[12] YASHIDA NADIR，PRAVEEN NAGARAJAN.The behavior of horizontally glued laminated beams using rubber wood[J].Construction and Building Materials，2014，55：398-405.

[13] 鮑甫成，傅峰.人工林楊木材性對單板層積材強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率[J].林業(yè)科學(xué)，1999，35（2）：87-94.

[14] TAMAMI KAWASAKI，KWEONHWAN HWANG，KOHEI KOMATSU，et al.In-plane shear properties of the wood-based sandwich panel as a small shear wall evaluated by the shear test method using tie-rods[J].J Wood Sci，2003，49：199-209.

[15] TAMAMI KAWASAKI，SHUICHI KAWAI.Thermal insulation properties of wood-based sandwich panel for use as structural insulated walls and floors[J].J Wood Sci，2006，52：75-83.

[16] KAWASAKI T，ZHANG M，WANG Q，et al.Elastic moduli and stiffness optimization in four-point bending of woodbased sandwich panel for use as structural insulated walls and floors[J].J Wood Sci，2006，52：302-310.

[17] BANERJEE S，BHATTACHARYYA D.Optimal design of sandwich panels made of wood veneer hollow cores[J].Composites Science and Technology，2011，71（4）：425-432.

[18] VIJAYASIMHA REDDY B G， SHARMA K V，YELLA REDDY T. Deformation and impact energy absorption of cellular sandwich panels[J].Materials and Design 2014，61：217-227.

[19] 胡英成.木質(zhì)復(fù)合材料的動態(tài)特性與無損檢測[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2004.

[20] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 17657-2013 人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法4.7 靜曲強(qiáng)度和彈性模量測定（三點(diǎn)彎曲）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[21] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 26899-2011結(jié)構(gòu)用集成材 5.3 抗彎性能試驗(yàn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[22] 婁佳.復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲、屈曲和振動特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[23] WANG B，WU L，MA L，et al.Mechanical behavior of the sandwich structures with carbon fiber-reinforced pyramidal lattice truss core[J].Mater Des，2010，31（5）：2659-2663.

[24] ZHENG J J，ZHAO L，F(xiàn)AN H L.Energy absorption mechanisms of hierarchical woven lattice composites[J].Composite：Part B，2012，43（3）：1516-1522.