兩種落葉松規(guī)格材齒板節(jié)點拉伸性能研究?

王 麗 王 滋 丁青鋒 武國芳 趙榮軍

近年來，隨著國家對森林可持續(xù)發(fā)展認識的提高，人工林的培育和營造受到高度重視，其中落葉松在我國人工林中占較大比例。興安落葉松是生長在我國東北林區(qū)大小興安嶺一帶的落葉松屬樹種，具有紋理筆直，結構細密等優(yōu)點[1]；日本落葉松是我國引種的人工林樹種之一，是落葉松屬適應范圍廣、生長潛力大的樹種，具有樹干端直，生長速度較快，耐腐性較好，力學性能較高等優(yōu)點[2]。輕型木結構建筑源自北美，具有輕質高強、節(jié)能環(huán)保、施工效率高等特點，在20世紀90年代即被引入我國[3-4]。目前對國產落葉松規(guī)格材在輕型木桁架中的應用研究較少，為了能夠科學評價國產落葉松在輕型木桁架結構中的應用潛能，實現(xiàn)輕型木結構在國內的可持續(xù)發(fā)展，對國產落葉松齒板節(jié)點連接性能的研究很有必要。

選用日本落葉松（Larix kaempferi）、興安落葉松（Larix gmelinii）兩種規(guī)格材，以進口規(guī)格材北美云杉（Picea sitchensis）為參照對象，與國產齒刻痕齒板制成齒板連接節(jié)點試件，通過拉伸試驗對其節(jié)點的抗拉極限承載力、臨界滑移剛度、延性、破壞形式以及三個樹種規(guī)格材順紋抗拉強度的比較，探究國產規(guī)格材在齒板連接性能方面存在的優(yōu)劣勢，完善國產結構材體系。

1 材料與方法

1.1 材料

1）規(guī)格材日本落葉松（Larix kaempferi），原木采自遼寧清原大孤家林場，氣干密度范圍：0.57～0.80 g/cm3；興安落葉松（Larix gmelinii），是采購于大興安嶺的板材，氣干密度范圍：0.47～0.76 g/cm3；北美云杉（Picea sitchensis）為加拿大進口規(guī)格材，氣干密度范圍：0.39～0.55 g/cm3；含水率調整至12%左右。采用機械分等法對其進行分等，根據(jù)GB 50005—2003《木結構設計規(guī)范》要求，選用Ⅲc等級規(guī)格材作為試驗用材，避開節(jié)疤開裂等缺陷，鋸解為38 mm×89 mm×300 mm試件。

2）齒板試驗用齒板為國產齒刻痕齒板。齒刻痕齒板是在普通齒板的基礎上，在位于板齒高度的1/3、1/2、2/3處平行刻痕，刻痕的深度在板齒厚度的30%左右，刻痕的寬度小于等于0.5 mm，刻痕長度方向與板齒高度垂直方向成45°夾角[5]，如圖1。齒板采用Q235碳素結構鋼制成，齒板厚度為0.9～1.0 mm，齒長約為10.4～10.9 mm，齒密度為106～108 No/dm2。

圖1 國產齒刻痕齒板Fig.1 Domestic truss plate with notch on tooth

1.2 主要儀器與設備

WDW-300E型萬能力學試驗機、YHD-100型位移引伸計、夾具（自制）等。

1.3 試驗方法

1）規(guī)格材物理力學性能測試：依據(jù)GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強度試驗方法》分別對三種規(guī)格材的密度、順紋抗拉強度進行測試。

2）連接試件制備：采用平壓的方式將齒板壓入規(guī)格材。節(jié)點構造形式采用荷載平行于木紋和齒板主軸方向（AA），每種構型取5個試件。

3）試件含水率調節(jié)：為方便裝配夾具，在試件兩側距端頭90 mm處鉆孔，孔徑為18 mm。將制備好的試件放入溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱平衡一周，以釋放齒板壓制過程產生的應力集中。

4）節(jié)點拉伸試驗：根據(jù)GB 50005—2003《木結構設計規(guī)范》[6]附錄M要求，設置加載速度為1.0 mm/min，以保證在5～20 min內試件達到極限承載力，試件破壞試驗停止。利用位移引伸計，記錄節(jié)點連接處位移變化。

2 結果與分析

2.1 三種規(guī)格材物理力學性質

表1 三種規(guī)格材物理力學性質Tab. 1 Physical and mechanical properties of three kinds of dimension lumbers

對興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的標準試件進行物理力學性能測試，結果見表1，由表中可知，國產興安落葉松和日本落葉松的密度及順紋抗拉強度均高于北美云杉。三種規(guī)格材的順紋抗拉強度均值分別為158.93、137.57、121.43 MPa，順紋抗拉強度的變異系數(shù)均在20%以內，說明三者順紋抗拉強度穩(wěn)定性較好。

通過對興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強度進行方差分析，結果見表2，在P=0.05水平下，興安落葉松、日本落葉松和北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強度差異性顯著，即規(guī)格材種類對木材的順紋抗拉強度有顯著影響。

表2 三種規(guī)格材順紋抗拉強度單因素方差分析Tab. 2 Variance analysis of tensile strength parallel to grain of three kinds of dimension lumbers

2.2 試驗現(xiàn)象和破壞形式

三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點在AA構型中的主要破壞形式見圖2，其中日本落葉松和北美云杉齒板節(jié)點的主要破壞形式為齒拔出破壞，興安落葉松的主要破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。試驗中由于破壞形式的不同試驗現(xiàn)象也不同，試驗初期，隨著拉力的增加齒板連接處產生輕微滑移，隨著拉力的增大板齒與木材的摩擦力逐漸增大，伴隨著輕微木材撕裂的聲音；試驗后期，隨著拉力的繼續(xù)增大，齒板與木材間的摩擦力難以抵抗齒板所受拉力，由齒板邊緣處開始板齒逐漸拔出，直至節(jié)點一側齒板全部拔出，節(jié)點失去承載能力，表現(xiàn)為齒拔出破壞；興安落葉松由于木材密度及順紋抗拉強度均較大，在拉伸過程中，板齒與木材間具有較大的摩擦力，隨著拉力的增大，齒板齒根部分產生剪切破壞，伴隨著金屬撕裂的聲音，試驗結束，表現(xiàn)為齒根斷裂破壞。主要原因是由于板齒部分刻痕降低了板齒強度且增加了板齒拔出時的摩擦力，因此在節(jié)點拉伸過程中，當板齒承受的摩擦力大于齒根所能承受的剪切力時，齒根發(fā)生斷裂。

圖2 齒板連接節(jié)點破壞形式Fig. 2 Failure modes of truss plate joints

2.3 三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點承載性能

從表3可知，興安落葉松、日本落葉松、北美云杉與國產齒刻痕齒板節(jié)點的板齒極限承載力分別是31.250、20.334、19.420 kN，國產落葉松規(guī)格材的板齒極限承載力大于進口云杉規(guī)格材，且興安落葉松高于日本落葉松；三種規(guī)格材的板齒極限承載力變異系數(shù)均在20%以內，說明三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板連接節(jié)點的拉伸性能穩(wěn)定性較好。在三種規(guī)格材的AA構型中，興安落葉松與國產齒刻痕齒板節(jié)點的板齒極限承載力較北美云杉與國產齒刻痕齒板節(jié)點的極限承載力高出69.42%，日本落葉松較其高出4.71%，主要原因是兩類國產落葉松木材密度及順紋抗拉強度均高于進口云杉，且興安落葉松木材的性能高于日本落葉松[7]。

對三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點極限承載力進行方差分析，從表4可知，不同樹種規(guī)格材的節(jié)點極限承載力間存在極顯著差異。

三種規(guī)格材齒板節(jié)點臨界滑移剛度見表5，由于試驗中部分節(jié)點在達到最大承載力時產生的位移小于0.8 mm，借鑒McCarthy[8]等的研究將臨界滑移值定為0.015 inch（0.38 mm）。由表可得對于同一構型的三種不同規(guī)格材齒板節(jié)點，國產落葉松規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點的臨界滑移剛度大于進口云杉規(guī)格材。其中興安落葉松齒板節(jié)點的臨界滑移剛度最高，是北美云杉的1.29倍；日本落葉松齒板節(jié)點臨界滑移剛度是北美云杉齒板節(jié)點的1.20倍。

表3 三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點極限承載力Tab. 3 Ultimate bearing capacity of the joints made up of three kinds of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表4 三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點板齒極限承載力方差分析Tab. 4 Variance analysis of ultimate bearing capacity of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表5 三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點臨界滑移剛度統(tǒng)計Tab. 5 Critical slip stiffness of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

2.4 三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點延性

利用Origin 8.0對三種規(guī)格材與國產齒刻痕齒板節(jié)點進行荷載-位移曲線擬合，結果見圖3。延性的好壞代表節(jié)點是否具有更好的抗震性能，延性較好的節(jié)點及建筑結構在破壞前具有明顯的破壞預兆并可提供更多的逃生時間[9-10]。通過對荷載位移曲線的峰值區(qū)域面積進行積分計算，對比分析三種規(guī)格材齒板節(jié)點的延性。

圖3 三種規(guī)格材AA型節(jié)點荷載-位移曲線Fig. 3 Load-displacement curves of AA type joints of three kinds of dimension lumbers

由表6可知，兩種國產落葉松規(guī)格材的延性均好于進口規(guī)格材，其中興安落葉松規(guī)格材與國產齒刻痕齒板連接節(jié)點的延性最好，其齒板連接節(jié)點所經受的變形量是北美云杉與國產齒刻痕齒板連接節(jié)點變形量的1.22倍，其節(jié)點所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點吸收能量的1.81倍；但日本落葉松規(guī)格材的齒板連接節(jié)點所經受的變形量小于北美云杉，其節(jié)點所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點吸收能量的1.11倍[11]。

表6 三種規(guī)格材節(jié)點峰值區(qū)域面積比較Tab. 6 Comparison of peak area of three kinds of joints

3 結論

1）兩種國產落葉松規(guī)格材密度及順紋抗拉強度均高于北美云杉規(guī)格材，不同種類木材順紋抗拉強度差異性顯著；日本落葉松及北美云杉規(guī)格材與齒刻痕齒板節(jié)點拉伸試驗的主要破壞形式為齒拔出破壞，興安落葉松規(guī)格材齒板節(jié)點的破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。

2）興安落葉松與國產齒刻痕齒板節(jié)點的極限承載力較北美云杉與國產齒刻痕齒板節(jié)點的極限承載力高出69.42%，日本落葉松較其高出4.71%；兩種國產落葉松齒板節(jié)點臨界滑移剛度、峰值區(qū)域面積均高于北美云杉。

3）與常用進口云杉規(guī)格材相比較，國產落葉松齒板節(jié)點連接性能良好，可進一步研究其在輕型木結構建筑與橋梁中的應用；國產齒刻痕齒板的連接性能較好，但易發(fā)生齒根斷裂破壞，應深入研究提高刻痕齒板的板齒強度。

綜合以上研究結果，筆者認為國產落葉松規(guī)格材物理力學性質可以達到輕型木結構規(guī)格材的使用要求；同時其與齒板連接節(jié)點承載性能、延性等均優(yōu)于進口北美云杉。建議進一步開展國產規(guī)格材與齒板節(jié)點連接蠕變性能研究。

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