落葉松結(jié)構(gòu)集成材承載性能足尺檢測(cè)與特性評(píng)價(jià)*

毛　磊　趙思淼　李晨琦　王　齊　白　雪　趙　丹

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱　150081）

落葉松結(jié)構(gòu)集成材承載性能足尺檢測(cè)與特性評(píng)價(jià)*

毛磊趙思淼李晨琦王齊白雪趙丹**

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱150081）

針對(duì)我國(guó)尚無(wú)結(jié)構(gòu)集成材足尺檢測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)開展足尺材料測(cè)試和評(píng)價(jià)研究。研究以普遍應(yīng)用的落葉松集成材為對(duì)象，按GB/T26899-2011《結(jié)構(gòu)用集成材》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種國(guó)際通用規(guī)格的結(jié)構(gòu)集成材進(jìn)行足尺承載特性測(cè)試。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按美國(guó)ASTM D2915-10《結(jié)構(gòu)用木材和木質(zhì)產(chǎn)品抽樣和數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的非參數(shù)法和參數(shù)法統(tǒng)計(jì)分析方式，確立了落葉松集成材抗彎彈性模量（MOE）和抗彎強(qiáng)度（MOR）的特征值數(shù)據(jù)及正態(tài)分布、對(duì)數(shù)分布和威布爾分布下的擬合優(yōu)度；確定了各規(guī)格結(jié)構(gòu)集成材MOE、MOR的變化趨勢(shì)。針對(duì)不同組別之間MOE及MOR的尺寸效應(yīng)，利用回歸分析方法確立了MOE和MOR的關(guān)系；初步確定了結(jié)構(gòu)用集成材的特征值和承載特性的評(píng)價(jià)方式，為國(guó)產(chǎn)樹種結(jié)構(gòu)集成材的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論支撐。

結(jié)構(gòu)集成材；承載性能；足尺檢測(cè)；性能評(píng)價(jià)

隨著木結(jié)構(gòu)工藝的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)集成材的應(yīng)用越來(lái)越普遍，發(fā)達(dá)國(guó)家的木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相繼涌入我國(guó)。對(duì)非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料承載特性的科學(xué)評(píng)價(jià)不僅關(guān)乎人身安全，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，并建立了結(jié)構(gòu)用工程木質(zhì)復(fù)合材料強(qiáng)度性質(zhì)的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系；我國(guó)針對(duì)新型結(jié)構(gòu)材料的研究尚處起步階段，結(jié)構(gòu)承載性能特征值和設(shè)計(jì)參考值多根據(jù)無(wú)疵小試樣測(cè)試值推算，由于沒(méi)有可靠的實(shí)測(cè)依據(jù)，木結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)主管部門不予驗(yàn)收。結(jié)構(gòu)集成材作為工程木質(zhì)復(fù)合材料的重要組成部分，其足尺性能檢測(cè)及承載特性的科學(xué)評(píng)價(jià)，可為建筑設(shè)計(jì)部門提供科學(xué)實(shí)測(cè)的承載特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而推動(dòng)整個(gè)木結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展［1-2］。

1　材料及測(cè)試方式

1.1材料及分組

試驗(yàn)采用3種國(guó)際通用規(guī)格的興安落葉松結(jié)構(gòu)集成材，依據(jù)美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低測(cè)試樣本容量［3］，3種足尺試材各28根，加工地為大興安嶺神州北極木業(yè)宜家分公司。3種試材分別為同厚試件（編號(hào)TH、層板理論厚度38 mm、集成層數(shù)5層），斷面尺寸為140 mm×192 mm；對(duì)稱異等試件（編號(hào)DY，集成層數(shù)5層，選擇彈性模量不等的材料集成），斷面尺寸為130 mm×192 mm；同寬試件（編號(hào)TK，集成層數(shù)3層），斷面尺寸為130mm× 115 mm，3種試件的長(zhǎng)度均為4 000 mm［4］。

1.2測(cè)試方式

按GB/T26899-2011的規(guī)定，雙壓頭兩點(diǎn)加載，壓頭間距為試材厚度的4倍，支點(diǎn)距離為試材厚度的18倍，加載速度為10 mm/min，加載至試樣破壞，記錄最大載荷。TH和DY試件采用垂直加載，TK試件采用平行加載［5］。

2　結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)用集成材與其他工程木質(zhì)復(fù)合材料強(qiáng)度特性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一樣，均以其力學(xué)性能的特征值來(lái)體現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)值，稱為試件特征值。材料的強(qiáng)度特征值通常是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，材料強(qiáng)度的平均值、中值和75%置信度下5%分位值的下限值，確定特征值是將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)值應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［6］。美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料抗彎彈性模量的平均值作為其特征值，非參數(shù)的5%分位值作為參考特征值；而將75%置信度下5%分位值的下限值作為抗彎強(qiáng)度等強(qiáng)度特性的特征值。特征值的計(jì)算方法可由參數(shù)法和非參數(shù)法計(jì)算得到。標(biāo)準(zhǔn)推薦選用非參數(shù)法計(jì)算作為結(jié)構(gòu)用材料強(qiáng)度的特征值，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了參數(shù)法的重要性［7］。

2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)，獲得足尺試件的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，并由此計(jì)算得出各組試件的統(tǒng)計(jì)描述。

從表1中可以看出，數(shù)據(jù)的離散度較小，平均值的代表性較好。符合正常的結(jié)構(gòu)材指標(biāo)要求。

表1　結(jié)構(gòu)用集成材MOR和MOE的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2抗彎彈性模量特征值的估計(jì)

2.2.1抗彎彈性模量特征值

以結(jié)構(gòu)性木材抗彎彈性模量的平均值為特征值。彈性模量的值用于可靠度計(jì)算為樣本均值時(shí)，為確保參數(shù)估計(jì)的精度，抗彎彈性模量的均值特征值估計(jì)所需樣本數(shù)需滿足公式ts/）≤λ的要求，其中λ值為已知，通常會(huì)在0.01～0.10之間。查表可知，75%置信區(qū)間t值為1.175，測(cè)試值符合要求。所以，結(jié)構(gòu)用集成材MOE特征值為MOETH= 16097MPa；MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa。

2.2.2抗彎彈性模量測(cè)試結(jié)果

通常僅以正態(tài)分布來(lái)描述抗彎彈性模量，而不考慮其它分布模型。由圖1也可以看出，抗彎彈性模量的概率分布較對(duì)稱，采用正態(tài)分布描述其分布能夠滿足精度要求，且AD檢驗(yàn)結(jié)果分別為ADTH=0.169，ADDY=0.156，ADTK=0.245，數(shù)值服從正態(tài)分布的要求。

圖1　試件（TH、DY、TK）MOE概率密度曲線

2.3抗彎強(qiáng)度特征值的估計(jì)

2.3.1非參數(shù)法估計(jì)特征值

為了確保樣本數(shù)量接近最小屬性值，采用非參數(shù)法根據(jù)次序統(tǒng)計(jì)量確定非參數(shù)法的特征值（非參數(shù)公差極限NTL）；同時(shí)使用非參數(shù)百分點(diǎn)估計(jì)值（NPE）對(duì)特征值進(jìn)行檢驗(yàn)，提供合理的樣品數(shù)量作為其次接近最小值的選項(xiàng)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通常以非參數(shù)估計(jì)得到的75%置信度下5%分位值的下限值，作為MOR特征值。百分點(diǎn)估計(jì)值（NPE）根據(jù)公式（1）可計(jì)算得出。落葉松結(jié)構(gòu)用集成材MOR的估計(jì)特征值見表2，且需滿足（NPE－NTL）/NPE＜δ，其中δ的范圍通常在0.01～0.10之間）。3組數(shù)據(jù)得出的結(jié)果分別為 0.06、0.006、0.035，數(shù)值均＜δ，滿足95%置信度要求。采樣數(shù)量及特征值符合要求，可以采用NTL值作為總體MOR特征值的最佳推算數(shù)。

表2　結(jié)構(gòu)用集成材MOR非參數(shù)估計(jì)特征值MPa

2.3.2參數(shù)法估計(jì)特征值

選用參數(shù)估計(jì)法計(jì)算強(qiáng)度特征值，需驗(yàn)證所選分布模型的適用性［8］。以試驗(yàn)測(cè)試強(qiáng)度數(shù)據(jù)為樣本，繪制MOR概率密度直方圖，并將其分別與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布、對(duì)數(shù)分布、威布爾分布進(jìn)行擬合（圖2）。

圖2　試件（TH、DY、TK）MOR概率密度曲線

由圖2的概率密度曲線可以看出，除第1組TH試件外，另外2組數(shù)據(jù)3種分布形式差別不大，所以再次通過(guò)數(shù)據(jù)的似然函數(shù)值檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合程度（表3）。

表3　對(duì)數(shù)似然值對(duì)MOR數(shù)據(jù)擬合度分析

表3中的結(jié)果與概率密度曲線的結(jié)果基本一致，可以說(shuō)明，試件TH與威布爾分布及正態(tài)分布擬合度較好，DY和TK試件與3種分布形式擬合優(yōu)度值接近。由于威布爾分布形式僅在樣本值較大的情況下其分布形式才較為精確，所以可在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步對(duì)此結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

參數(shù)統(tǒng)計(jì)法的特征值也可以根據(jù)75%置信度下5%分位值的下限值（即參數(shù)公差極限，PTL）作為特征值，根據(jù)公式并用參數(shù)點(diǎn)估計(jì)值（PPE，一般為5%點(diǎn)估計(jì)）作為參考值。在分布模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)不同分布形式的特征值及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果（表4）顯示，3組數(shù)據(jù)的特征值與非參數(shù)估計(jì)結(jié)果比較，正態(tài)分布的結(jié)果最為接近，尤其是TK試件的數(shù)值基本一致。

表4　結(jié)構(gòu)用集成材MOR參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值

2.4不同組別之間MOE及MOR的關(guān)系對(duì)比

為了比較不同集成方式結(jié)構(gòu)用集成材MOE、MOR的變化趨勢(shì)，通過(guò)散點(diǎn)圖重新升序排列，分別比較3組數(shù)據(jù)MOE和MOR的變化規(guī)律。由圖3可以看出，同厚試件（TH）的MOE值明顯優(yōu)于其他2組數(shù)據(jù)，而對(duì)稱異等試件（DY）和同厚試件（TK）兩者變化規(guī)律基本一致。根據(jù)圖4顯示說(shuō)明，3組數(shù)據(jù)的MOR值差別不大。

圖3　試件（TH、DY、TK）MOE散點(diǎn)圖

由此說(shuō)明，結(jié)構(gòu)用集成材厚度相同時(shí)，寬度越大，MOE值越大，但MOR趨勢(shì)不夠顯著；而寬度相同、厚度不同時(shí)，采用垂直的加壓方式（TK試件），MOE變化趨勢(shì)一致，MOR值優(yōu)于平行加壓的試件（DY試件），甚至在一定程度上超過(guò)TH試件。為了更好地將其應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，后續(xù)還可針對(duì)其他性能進(jìn)行測(cè)試。而由于結(jié)構(gòu)用集成材作為集成梁使用時(shí)，抗彎強(qiáng)度是其主要承載壓力，采用厚度方向平行集成柱的結(jié)構(gòu)形式，在保證其較好的結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，可以大量節(jié)約木材，減輕自重，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式。

圖4　試件（TH、DY、TK）MOR散點(diǎn)圖

2.5落葉松結(jié)構(gòu)用集成材MOE與MOR的關(guān)系

為了今后實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的目的，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)用集成材的抗彎彈性模量來(lái)預(yù)測(cè)其強(qiáng)度指標(biāo)。采用回歸分析的方法，以抗彎強(qiáng)度為因變量，抗彎彈性模量為自變量，建立MOE指標(biāo)與MOR指標(biāo)兩者之間的關(guān)系。

根據(jù)方差分析結(jié)果，分別得出3組數(shù)據(jù)的相關(guān)性方程，其中，TH試件的相關(guān)性方程為MOR= 0.007 2MOE-31.06，決定系數(shù)為0.37；DY試件的相關(guān)性方程為MOR=0.007 0MOE-18.34，決定系數(shù)為 0.50；TK試件的相關(guān)性方程為 MOR= 0.011 3MOE-69.22，決定系數(shù)為0.46。3組數(shù)據(jù)的F值分別為 FTH=11.59，F(xiàn)DY=25.5，F(xiàn)TK=21.71，均大于 F0.01=7.72，試驗(yàn)結(jié)果顯著，擬合程度較好（決定系數(shù)值稍低，是因?yàn)樽愠邷y(cè)試中試件自身缺陷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大）。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)分析，TH試件的決定系數(shù)較低的原因，是由于TH試件自身存在缺陷較多所致。方差分析結(jié)果表明，兩者之間存在一定程度的線性關(guān)系。

3　結(jié)　論

3.1試驗(yàn)結(jié)果表明，落葉松結(jié)構(gòu)集成材試件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的離散度較小，平均值的代表性較好，符合結(jié)構(gòu)用集成材基礎(chǔ)參數(shù)指標(biāo)的要求。

3.2數(shù)據(jù)分別采用非參數(shù)法和參數(shù)法進(jìn)行分析，得出彈性模量的特征值為 MOETH=16 097 MPa； MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa，整體符合正態(tài)分布要求。抗彎強(qiáng)度非參數(shù)特征值為MORTH= 58.75 MPa，MORDY=54.27 MPa，MORTK=47.25 MPa；參數(shù)法中正態(tài)分布特征值分別為MORTH=66.61MPa，MORDY=52.75 MPa，MORTK=47.2 MPa。對(duì)數(shù)正態(tài)分布特征值為MORTH=67 MPa，MORDY=55 MPa，MORTK= 51.55 MPa；正態(tài)分布特征值與非參數(shù)法特征值較為接近。

3.3用參數(shù)法分析數(shù)據(jù)時(shí)，利用似然值對(duì)其進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，結(jié)果為：TH試件與威布爾分布擬合較好；DY、TK試件與3種分布形式擬合度基本一致，正態(tài)分布擬合度相對(duì)較好。

3.4通過(guò)對(duì)不同組別之間MOE及MOR的關(guān)系對(duì)比，3組試件中TH試件的MOE值最高，說(shuō)明厚度相同時(shí)，寬度越大，MOE值越大；寬度相同、厚度不同時(shí)，垂直加壓方式MOR值較大。

3.5在3組測(cè)試數(shù)據(jù)中，MOE與MOR之間存在一定的線性關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.37、0.50、0.46。

［1］任海青等.輕型木結(jié)構(gòu)房屋用杉木規(guī)格材機(jī)械應(yīng)力分等研究［J］.建筑材料學(xué)，2010，13（8）:20-22.

［2］J D Barrett，W I.AU.Canadian I.umber Properties［M］.Ottawa：Canadian Wood Council，1994：275-279.

［3］賈俊平.統(tǒng)計(jì)學(xué)［M］.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2003.

［4］郝金城.集成材制造技術(shù)［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［5］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).結(jié)構(gòu)用集成材中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26899-2011［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［6］欒軍.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的技術(shù)與方法［M］.上海：交通大學(xué)出版社，1987.

［7］ASTM.D2915-10.Standard practice for evaluating allowable properties for grades ofstructural lumber［S］.America，2013.

［8］趙秀.興安落葉松規(guī)格材強(qiáng)度性質(zhì)的基礎(chǔ)研究［D］.北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2010.

第1作者簡(jiǎn)介：毛磊（1982-），女，碩士，工程師。

（責(zé)任編輯：潘啟英）

Full-scale Testing and Characteristic Evaluation for the Loading Performance of Larch Structural Glued Laminated Timber

MAOLei
（Heilongjiang Institute of Wood Science，Harbin150081）

Considered lacking of the based data to take the full-scale test on Glued laminated Timber in China，a program aim to test and access the material treatment process has been carried out emphatically.The study focuses on the subject of larch structural glued laminated timber and refers to the standard of GB/T26899-2011"Structural Glued laminated Timber"taking the test of loading performance by three General specifications which have the full-scale.According to American Society for Testing and Material Standards（ASTM）D2915-10"Standard Practice for Sampling and Data-Analysis for Structural Wood and Wood-Based Products"，we analysis our experiment results for Non-parametric and parametric method；confirms the characteristic values of MOE and MOR，and establishes the goodness fit of mechanical properties fitting to normal，lognormal and Weibull distribution；determines the variation trend of MOE and MOR；According to the difference of size parameter，we confirms the relationship between MOE and MOR by the method of regression analysis.We determines the characteristic values and assessment format of loading performance for the timber preliminarily，provides an important theoretical support for our own design and application.

Structural glued laminated timber；Loading performance；Full-scale testing；Characteristic evaluation

S791.222，TS653.4，S781.6

A

1001-9499（2016）04-0069-05

*國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)“工程木質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載性能檢測(cè)技術(shù)研究”（201304514）

趙丹（1962-），男，碩士，研究員。

2016-06-29