預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)層板膠合木受壓性能試驗(yàn)1)

左宏亮 王東岳 何東坡 王永兵

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司)

預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)層板膠合木受壓性能試驗(yàn)1)

左宏亮 王東岳 何東坡 王永兵

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司)

為了選擇適用于新型預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)的層板膠合木，選取SPF(云杉—松—冷杉)、楊木、東北落葉松和桉木等木制材料，研究樹種類別、樹種組合、層板厚度和組坯方式等因素對(duì)層板膠合木受壓性能的影響。采用自行提出的棱柱體膠合木試塊，利用自行研制的對(duì)夾式引伸計(jì)，通過4批次17組102個(gè)層板膠合木試塊的順紋受壓試驗(yàn)，研究了層板膠合木的彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、受力特征及破壞形態(tài)。結(jié)果表明：楊木、東北落葉松和桉木的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度均高于進(jìn)口木材SPF，尤其是楊木和東北落葉松的受壓性能明顯好于其他木材；不同樹種組合與單一樹種試塊的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度數(shù)值接近，不同樹種組合具有一定的可能性；雖然隨著層板厚度的減小，試塊的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度都有一定的上升趨勢(shì)，但層板厚度和組坯方式對(duì)受壓性能的影響不大。

預(yù)應(yīng)力膠合木梁；層板膠合木；彈性模量；順紋抗壓強(qiáng)度；破壞形態(tài)

In order to choose the layer board glulam for applying to the compression zone of the new type prestressed glulam beams, we studied the tree species, tree combination, the thicknesses of laminates, and assemble pattern to show the effect on the compression performance of layer board glulam by choosing the SPF, Poplar, North-East Larix, and Eucalyptus. Based on the compression tests along the grain on the 4 batches with 17 groups prism glulam specimens, a total of 102 by using a new type of holder type displacement sensor, we studied the elastic modulus, compression strength parallel to grain, mechanics characteristic and failure mode of the layer board glulam. The elastic modulus and the compression strength parallel to grain of Poplar, North-East Larix and Eucalyptus are both higher than those of SPF, especially the compression performance of Poplar and North-East Larix is much better than that of others. The elastic modulus and the compression strength parallel to grain from different tree species combination are similar with the feasibility of different species. Though the elastic modulus and the compression strength parallel to grain have a certain increasing trend with the decreasing thicknesses of laminates, the thicknesses of laminates and assemble pattern have little effect on compressive behavior.

木結(jié)構(gòu)房屋具有天然、舒適、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，是深受人們喜愛的一種結(jié)構(gòu)形式。在歐美等發(fā)達(dá)國家，絕大多數(shù)的住宅和一半以上的低層商業(yè)建筑和公共建筑采用木結(jié)構(gòu)[1-3]。而我國的木結(jié)構(gòu)歷史可以追溯到3500 a前，雖然從20世紀(jì)70年代末期到21世紀(jì)初，木材資源的匱乏曾造成木結(jié)構(gòu)發(fā)展的短暫停滯[4-7]，但近年來，隨著國家退耕還林、大力種植速生林和適當(dāng)進(jìn)口木材等政策的施行，木結(jié)構(gòu)開始復(fù)蘇，并且在國家大力推廣綠色建筑的背景下，木結(jié)構(gòu)必將擁有更為廣闊的發(fā)展空間[8-10]。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外應(yīng)用日趨廣泛，其中，層板膠合木作為典型的現(xiàn)代深加工木材逐漸在建筑工程領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。目前，對(duì)于膠合木的研究主要集中于普通膠合木梁的受力性能分析、采用新型材料加強(qiáng)膠合木梁等方面。一般來說，普通膠合木梁的破壞形式為脆性破壞，破壞時(shí)梁的撓度較大[11]，在膠合木梁中施加預(yù)應(yīng)力，能夠改善膠合木梁的受彎性能，有利于預(yù)應(yīng)力膠合木梁的受壓區(qū)層板膠合木的受壓強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。但現(xiàn)階段對(duì)層板膠合木選材的研究還比較有限[12-13]，因此，亟需選取不同的木材，研究層板膠合木的受壓性能，選出適用于預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)的層板膠合木材料。

筆者根據(jù)預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)層板膠合木的受力特點(diǎn)，自行提出棱柱體膠合木試塊尺寸，綜合考慮樹種類別、層板厚度和組坯方式等影響因素，研究層板膠合木的受壓性能，為預(yù)應(yīng)力膠合木梁的選材提供依據(jù)。

1 材料與方法

考慮樹種類別、樹種組合、層板厚度和組坯方式等因素的影響，研究SPF、楊木、東北落葉松和桉木制成層板膠合木試塊的彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度、受力特征以及破壞形態(tài)，為預(yù)應(yīng)力膠合木梁受壓區(qū)層板膠合木選材提供依據(jù)。

1.1 試塊制作

試驗(yàn)中選用了4種不同的木材制作膠合木試塊，分別是SPF、楊木、東北落葉松和桉木。其中，SPF根據(jù)加拿大獨(dú)立評(píng)級(jí)機(jī)構(gòu)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定分為SPF1級(jí)和SPF2級(jí)。

膠合木試塊委托專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)加工，膠合前，板材在工廠內(nèi)均利用烘干爐進(jìn)行干燥，含水率為15%[14]。膠合木用膠為瑞士產(chǎn)的單組分液態(tài)聚氨酯黏合劑。為研究有關(guān)參數(shù)對(duì)木材的影響，加工試塊時(shí)，木材去除了較大的木節(jié)，同時(shí)將小木節(jié)置于試塊的中部，形成膠合木試塊。試塊加工完成后，用保鮮膜封閉包裝，保持試塊的含水率。為減小端部缺陷對(duì)試塊受壓性能的不良影響，將棱柱體膠合木試塊尺寸確定為100 mm×100 mm×300 mm，其中，順紋方向高度為300 mm[15]。

將試塊分為4批：第1批試塊研究樹種類別對(duì)膠合木受壓性能的影響，第2批試塊研究樹種組合對(duì)膠合木受壓性能的影響，第3批試塊研究層板厚度對(duì)膠合木受壓性能的影響，第4批試塊研究組坯方式對(duì)膠合木受壓性能的影響，試塊截面尺寸、層板厚度和組坯方式見圖1。每組制作6個(gè)試塊，共102個(gè)試塊，材料組成見表1。

單位為mm。

批次組別材 料層數(shù)/層11-1SPF1級(jí)71-2SPF2級(jí)71-3楊木71-4東北落葉松71-5桉木722-1東北落葉松+楊木72-2桉木+楊木72-3東北落葉松+桉木733-1-1SPF1級(jí)53-1-2SPF1級(jí)73-1-3SPF1級(jí)93-2-1楊木53-2-2楊木73-2-3楊木944-1SPF1級(jí)+SPF2級(jí)74-2SPF1級(jí)+SPF2級(jí)74-3SPF1級(jí)+SPF2級(jí)7

第2批試塊2-1組中木材1為東北落葉松、木材2為楊木；2-2組中木材1為桉木、木材2為楊木；2-3組中木材1為桉木、木材2為東北落葉松。第4批試塊中木材1為SPF1級(jí)、木材2為SPF2級(jí)，4-1組為兩種木材間隔排列；4-2組為木材1置于兩側(cè)，木材2置于中間；4-3組為木材1置于一邊。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在2 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為準(zhǔn)確測(cè)量試塊彈性階段變形量，對(duì)兩只普通電阻應(yīng)變片式引伸計(jì)進(jìn)行改裝，自行研制一套標(biāo)距100 mm、量程1 mm的對(duì)夾式引伸計(jì)(見圖2)，由單側(cè)測(cè)量變?yōu)殡p側(cè)測(cè)量，引伸計(jì)夾持刀口長度由10 mm加大到100 mm，使得量測(cè)試塊順紋方向的變形量更真實(shí)、更均勻，避免試件內(nèi)部節(jié)疤、木材材質(zhì)分布不均勻等因素造成的測(cè)量誤差。在電路中將兩只引伸計(jì)并聯(lián)，直接測(cè)量試塊整體變形量，引伸計(jì)量程由10 mm變?yōu)? mm，提高測(cè)量精度，減小誤差。用20 mm電阻應(yīng)變計(jì)、100 t拉壓力傳感器和DH3816N靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)測(cè)量試件破壞階段的壓力和變形量，試驗(yàn)裝置見圖3。

圖2 引伸計(jì)

圖3 試驗(yàn)裝置

1.3 加載制度

將膠合木試塊置于試驗(yàn)臺(tái)球形支座上，且試塊截面面積小于試驗(yàn)臺(tái)施加壓力作用面的面積[15]。彈性階段試塊順紋受壓試驗(yàn)作用力加載機(jī)制為10 kN至50 kN，再至10 kN，以2 kN/s的加載速度均勻加載，作用力經(jīng)過一個(gè)周期回到10 kN后，一個(gè)完整的彈性周期結(jié)束。共進(jìn)行6個(gè)周期加載，其中，第1個(gè)周期為預(yù)加載，加載機(jī)制為作用力0至50 kN，再至10 kN，預(yù)加載階段數(shù)據(jù)只作為檢測(cè)試驗(yàn)儀器是否正常、穩(wěn)定工作的根據(jù)，不作為試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)。

破壞階段萬能試驗(yàn)機(jī)采用位移控制，以2 mm/min的速度均勻加載，目標(biāo)位移量為10 mm，達(dá)到目標(biāo)位移量后，停止加載，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 受力特征及破壞形態(tài)

加載初期階段，作用力和試塊變形增長速度快。這個(gè)階段木材纖維受壓，試塊趨于密實(shí)，試塊本身并未產(chǎn)生抗力。隨著壓力增大，膠合木試塊產(chǎn)生彈性變形，壓力和變形曲線呈明顯的線性關(guān)系，直至達(dá)到比例極限(彈性階段最大抗力)。隨著變形的增大，試塊抗力增長速度減緩，直到試塊達(dá)到破壞荷載(最大承載力)，抗力開始緩慢減小，試塊表面開始出現(xiàn)裂縫，表明此時(shí)試塊的承載能力已經(jīng)達(dá)到極限。隨著試塊繼續(xù)壓縮，試塊表面裂縫逐漸開展，并伴有木材劈裂的聲音，試塊抗力減小的速度依然很緩慢，這是因?yàn)槟静氖軌浩茐暮?，木材纖維重新組合壓實(shí)，所以，承載能力沒有顯著減小[16]。

根據(jù)試驗(yàn)中4批試塊所得數(shù)據(jù)，繪出試塊力—位移曲線，見圖4。

圖4 膠合木試塊的力—位移曲線

經(jīng)觀察，試塊主要破壞形態(tài)分為斜剪破壞、端部局壓破壞、層板劈裂破壞、膠合面開裂破壞、內(nèi)部纖維擠壓破壞(見圖5)。5種破壞形式所占百分比分別為41.18%、18.63%、11.76%、11.76%、16.67%。從試塊破壞形態(tài)上看，順紋受壓主要破壞形態(tài)為斜剪破壞，屬于塑性破壞。

膠合木試塊破壞過程中，試塊軸心受壓，破壞面沿斜截面大約45°方向開展，因此，試塊破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為斜剪破壞。由于試塊端面平整度有一定誤差，加載時(shí)試塊端部與試驗(yàn)臺(tái)不均勻接觸，造成應(yīng)力集中，出現(xiàn)端部局壓破壞的特征。由于試塊自身存在薄弱部位，如：木節(jié)、髓心、斜紋和膠合面等，在加載過程中引起試塊內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，因此，試塊表現(xiàn)出層板劈裂、膠合面開裂和內(nèi)部纖維擠壓等破壞形態(tài)。

圖5 膠合木試塊破壞形態(tài)

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

彈性變形階段對(duì)試塊施加的作用力在微機(jī)上編輯加載程序后，由電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由萬能試驗(yàn)機(jī)輸出，包括作用在試塊上的壓力N和試塊順紋方向的變形量ΔL。在比例極限內(nèi)，試塊應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，膠合木試塊的彈性模量可用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：N1、N2分別為一個(gè)彈性周期內(nèi)，試驗(yàn)力加載階段起始力(10 kN)和終止力(50 kN)的數(shù)值；ΔL1、ΔL2為對(duì)應(yīng)N1、N2的變形量(mm)；A為受壓面積(mm2)；L0為引伸計(jì)標(biāo)距(mm)。

破壞階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)由靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)輸出，根據(jù)文獻(xiàn)[17]中給出的順紋抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

(2)

式中：σW試樣含水率為W時(shí)的順紋抗壓強(qiáng)度(MPa)；Pmax為破壞荷載(kN)；b為試塊寬度(mm)；t為試塊厚度(mm)。

為減小試驗(yàn)誤差，取5個(gè)彈性模量中最接近的3個(gè)數(shù)值的平均值為該試塊的彈性模量；對(duì)于每組試塊的6個(gè)彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度數(shù)值，分別取其中最接近的4個(gè)數(shù)值的平均值為該組試塊的彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于每組6個(gè)試塊對(duì)應(yīng)的順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量，采用標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)反映每組試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差是指樣本中各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離平方的平均數(shù)，可用式(2)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值稱為變異系數(shù)，可用式(3)計(jì)算：

(3)

(4)

式中：σ為樣本的總體標(biāo)準(zhǔn)差；N為樣本的總體數(shù)量；μ為樣本平均值；CV為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)。

2.3 膠合木抗壓強(qiáng)度及彈性模量對(duì)比

試驗(yàn)測(cè)得的膠合木試塊順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量數(shù)值見表2—表5。

表2 不同樹種類別膠合木試塊順紋抗壓強(qiáng)度及彈性模量

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，SPF1級(jí)棱柱體膠合木試塊的彈性模量略高于SPF2級(jí)，SPF1級(jí)的順紋抗壓強(qiáng)度也比SPF2級(jí)略高，SPF2級(jí)彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)均明顯高于SPF1級(jí)，SPF1級(jí)的受力性能比SPF2級(jí)更穩(wěn)定。

在SPF1級(jí)、SPF2級(jí)、楊木、東北落葉松和桉木中，楊木的順紋抗壓強(qiáng)度高于其他4種，東北落葉松的彈性模量是5組試塊中最高的，楊木和東北落葉松的受壓性能明顯好于其他木材。

表3 不同樹種組合膠合木試塊順紋抗壓強(qiáng)度及彈性模量

楊木、東北落葉松和桉木3種木材兩兩組合，東北落葉松+楊木、桉木+楊木、東北落葉松+桉木的彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度與3種木材單一樹種的數(shù)值接近，可見，不同樹種組合對(duì)層板膠合木受壓性能影響不大。

表4 不同層板厚度膠合木試塊順紋抗壓強(qiáng)度及彈性模量

層板厚度為20、14、11 mm的SPF1級(jí)木材的彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度隨著膠合木層板厚度的減小有所提高；層板厚度為20、14、11 mm的楊木的彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度隨著膠合木層板厚度的減小也有一定的上升趨勢(shì)，這是由于層板厚度變小，使得內(nèi)部缺陷分散或減少，從而改善了木材的受壓性能。

表5 不同組坯方式膠合木試塊順紋抗壓強(qiáng)度及彈性模量

SPF木材3種不同組坯方式的彈性模量從大到小排列順序?yàn)橹糜趦蓚?cè)、置于一邊、間隔排列，順紋抗壓強(qiáng)度從大到小的排列順序?yàn)橹糜趦蓚?cè)、間隔排列、置于一邊。可見，3種組坯方式中置于兩側(cè)的組坯方式的彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度略高于其他兩種，組坯方式對(duì)膠合木受壓性能影響不大。

3 結(jié)論

不同樹種組合與單一樹種試塊的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度數(shù)值接近，試塊并未發(fā)生明顯開膠現(xiàn)象，說明樹種組合具有一定的可能性。

雖然隨著層板厚度的減小，試塊的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度都有一定的上升趨勢(shì)，但層板厚度和組坯方式對(duì)受壓性能的影響不大，在梁的試驗(yàn)中需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

試塊破壞階段的曲線證明了膠合木試塊發(fā)生順紋破壞后，承載力呈緩慢下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出良好的塑性特征；破壞形態(tài)主要有端部局壓破壞、斜剪破壞、膠合面開裂破壞、劈裂破壞和內(nèi)部纖維擠壓破壞等。

楊木、東北落葉松和桉木的彈性模量及順紋抗壓強(qiáng)度均高于SPF，可見選用的國產(chǎn)常用木材受壓性能好于工程中應(yīng)用廣泛的進(jìn)口木材SPF，尤其是東北落葉松和楊木的受壓性能明顯好于其他木材，建議在預(yù)應(yīng)力膠合木梁中優(yōu)先選用楊木或東北落葉松。

[1] Josef Kolb. Multi-storey timber structure[M]. Switzerland: Birkh?user Basel,2008:188-200.

[2] Sui Yunkang, Chang Jingya, Ye Hongling. Numerical simulation of semi-rigid element in timber structure based on finite element method[J]. Computational Structural Engineering,2009,6:643-652.

[3] Jochen Kohler, Staffan Svensson. Probabilistic representation of duration of load effects in timber structures[J]. Engineering Structures,2011,33(2):462-467.

[4] 樊承謀，陳松來.木結(jié)構(gòu)科技的新發(fā)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(6)：812-814.

[5] 潘景龍，祝恩淳.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：2-4.

[6] 何敏娟，陳俊嶺，劉慧群.中國農(nóng)村住宅現(xiàn)狀及木結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景[J].建筑技術(shù)，2009，40(10)：940-942.

[7] 龍衛(wèi)國.中國木結(jié)構(gòu)需要開展的研究工作[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(9)：159-161，86.

[8] 樊承謀，陳松來.木結(jié)構(gòu)科技的新發(fā)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(6)：812-814.

[9] 郭偉，費(fèi)本華，陳恩靈，等.我國木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].木材工業(yè)，2009，23(2)：19-22.

[10] 劉杰，趙冬梅，田振昆.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在上海[J].新建筑，2005(5)：8-9.

[11] 劉偉慶，楊會(huì)峰.工程木梁的受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29(1)：90-95.

[12] 陸繼圣.日本膠合木的制造與應(yīng)用[J].木材工業(yè)，1996，10(6)：30-31.

[13] 章瑞.速生楊木改性材膠合木梁的設(shè)計(jì)與制作[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[14] 陳清泉.膠合木結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?011(24)：334-335.

[15] 重慶大學(xué)土木工程院.GB/T 50329—2002木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[16] 戴桂華，周先雁.落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓性能試驗(yàn)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(12)：208-210.

[17] 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所.GB/T 1935—2009木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Performances of Glued-laminated Timber in the Compressive Zone of Prestressed Glulam Beams/

Zuo Hongliang, Wang Dongyue, He Dongpo(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Yongbing(Suzhou Crownhomes CO., LTD)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-90～94，107

Prestressed glulam beams; Glued-laminated timber; Elastic modulus; Parallel-to-grain compression; Failure mode

1) 黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201217)、住建部2013年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-K2-4)。

左宏亮，男，1964年3月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，教授。

2013年9月30日。

TU366.3

責(zé)任編輯：戴芳天。