輕型木結(jié)構(gòu)用定向秸稈板集中靜載和沖擊荷載性能試驗(yàn)研究?

席 飛 劉芯彤 阮雪君 孫友富 楊曉林

木材是最古老的材料之一，在幾千年前就作為居住、工具和燃料使用，也是當(dāng)今四大材料鋼材、水泥、木材和塑料中唯一可再生的，又可以多次使用和循環(huán)利用的生物材料[1]。而以其為材料建造的輕型木結(jié)構(gòu)建筑因其健康、安全、節(jié)能、環(huán)保、高效能、返樸歸真和體現(xiàn)自然等特點(diǎn)，在歐美等地住宅建筑領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，此類建筑通常使用實(shí)木方材或工程木材作為木桁架、墻骨、擱柵、各種梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件[2-3]，用膠合板或定向刨花板等作墻面、屋面及樓面等結(jié)構(gòu)覆面板形成其結(jié)構(gòu)體系。

國(guó)內(nèi)在輕型木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)覆面板的選擇上通常依賴國(guó)外進(jìn)口的定向刨花板或針葉木膠合板，價(jià)格較貴不符合中國(guó)國(guó)情。目前國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者針對(duì)適合中國(guó)國(guó)情的輕型木結(jié)構(gòu)覆面板進(jìn)行研究，如對(duì)國(guó)產(chǎn)定向刨花板作為輕型木結(jié)構(gòu)覆面板的抗彎性能進(jìn)行研究[4]，對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松膠合板覆面板均布載荷和集中荷載展開(kāi)研究[5-6]，對(duì)意楊結(jié)構(gòu)膠合板作為輕型木結(jié)構(gòu)覆面板的可行性進(jìn)行研究等[7]。而筆者認(rèn)為如果可以利用以秸稈為主要原料的定向秸稈板作為中國(guó)輕型木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)覆面板的主要選擇，可以大量減少中國(guó)農(nóng)村秸稈焚燒所帶來(lái)的環(huán)境污染，變廢為寶[8-11]。筆者探討了以定向秸稈板作為輕型木結(jié)構(gòu)建筑屋面板時(shí)的集中靜載性能，擬為秸稈基材料作為結(jié)構(gòu)人造板的生產(chǎn)及其在輕型木結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與裝置

1.1 試驗(yàn)材料

定向秸稈板：取自諾菲博爾定向秸稈板制造廠，幅面1 220 mm×2 440 mm，厚度為12 mm，其性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定向秸稈板物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of OSSB

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的集中靜載和沖擊荷載性能測(cè)試設(shè)備，是筆者在本校原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，聯(lián)系了相關(guān)的設(shè)備公司，根據(jù)GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]改造而成。

1.2.1 集中靜載加載裝置

利用圖1 SANS 生產(chǎn)的 50 t數(shù)控試驗(yàn)機(jī)作為集中靜載的加載裝置，具體的加載方式為把試驗(yàn)用板平放在試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，然后通過(guò)工字橫梁使荷載傳至試板加載點(diǎn)，利用TDS數(shù)據(jù)采集儀讀取每加載點(diǎn)的撓度值。

圖1 集中靜載裝置Fig.1 Concentrated static load device

1.2.2 加載盤

加載盤為一直徑76 mm，厚度為 13 mm 的金屬圓盤，其底面與側(cè)立面的過(guò)渡連接為半徑 1.5 mm 的弧形面。加載盤的上端與球座連接，以保證加載盤表面與試板加載表面平行。

1.2.3 位移計(jì)

安裝在特制的四腳架上，每個(gè)加載盤對(duì)應(yīng)一個(gè)位移計(jì)，位移計(jì)連接TDS數(shù)據(jù)采集儀讀取試驗(yàn)板材在荷載作用下的撓度值。

1.2.4 TDS數(shù)據(jù)采集儀

讀取每個(gè)位移計(jì)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)板材加載點(diǎn)在荷載作用下的撓度值及極限荷載。

1.2.5 沖擊荷載加載裝置

沖擊設(shè)備主要是由門字型支架、皮袋吊掛環(huán)結(jié)構(gòu)、專用沖擊皮帶和試件支撐支座構(gòu)成。專用沖擊皮袋的高度為 760 mm，共分為5個(gè)高度調(diào)節(jié)檔，直徑為250 mm，內(nèi)裝鋼球直徑 2.4 mm，皮袋的總重量為 13.6 kg，以達(dá)到102 N·m的試驗(yàn)要求。整個(gè)沖擊荷載的裝置見(jiàn)圖 2。

圖2 沖擊荷載加載裝置Fig.2 Impact load device

2 試驗(yàn)方法

2.1 加載方式

2.1.1 集中靜載性能加載方式

集中靜載試驗(yàn)?zāi)康氖悄M屋面板的實(shí)際受力情況，將試板平置在 3 根等跨距（試驗(yàn)中選取600 mm）的支撐支座上，形成雙跨連續(xù)板。通過(guò)施加集中靜載，檢測(cè)其在規(guī)定靜載下的撓度值及極限載荷。研究采用對(duì)試板最不利的、邊緣無(wú)支撐狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，加載位置見(jiàn)圖 3。

圖3 集中靜載加載方式Fig.3 Concentrated static load mode

2.1.2 沖擊荷載性能加載方式

沖擊載荷試驗(yàn)是模擬屋面板在沖擊狀態(tài)下的實(shí)際受力情況，為了達(dá)到這一目的，筆者將試驗(yàn)板材平置在3 根等跨距（試驗(yàn)中選取600 mm）的支撐支座上形成雙跨連續(xù)板，通過(guò)預(yù)定重量的皮袋沖擊裝置及集中靜載裝置對(duì)試驗(yàn)板材施加沖擊載荷進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)量板材在沖擊前和在不同高度沖擊后的集中靜載下?lián)隙戎导皹O限荷載。該研究只對(duì)對(duì)試驗(yàn)板材最不利的邊緣無(wú)支撐受力狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，加載位置見(jiàn)圖4。

圖4 沖擊靜載加載方式Fig.4 Impact load mode

2.2 試驗(yàn)條件

2.2.1 試板

根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，選擇不上人屋頂屋面板最大支撐間距600 mm作為試驗(yàn)間距，選擇與之對(duì)應(yīng)的最小屋面板厚度12 mm作為試驗(yàn)板材厚度。根據(jù)GB/T 50329—2012 《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》選擇最小板材幅面尺寸1 200 mm×600 mm（長(zhǎng)×寬）作為試驗(yàn)板材尺寸。

2.2.2 條件

在試驗(yàn)前模擬板材可能發(fā)生的實(shí)際使用條件調(diào)節(jié)板材試件的含水率，用于屋面板的板材應(yīng)調(diào)節(jié)到干態(tài)和濕態(tài)兩種條件，在這兩種條件下進(jìn)行屋面板集中靜載和沖擊荷載的性能測(cè)試。

1）干態(tài)試驗(yàn)。在（20±3）℃和（65±5）%的相對(duì)濕度的條件下將板材試件調(diào)節(jié)至少2周使其達(dá)到恒重和含水率不變。

2）濕態(tài)試驗(yàn)。將板材用水噴淋其上表面連續(xù)3 d處于濕態(tài)，避免板材表面局部積水或任一部分沒(méi)入水中。

2.3 試驗(yàn)步驟

2.3.1 集中靜載試驗(yàn)步驟

1）按照要求把標(biāo)準(zhǔn)板材切割成試驗(yàn)所需尺寸的試驗(yàn)板；

2）將符合條件的試板平放在支撐支座上（支座支撐相距600 mm，邊緣無(wú)支撐），并與支撐支座緊密牢固接觸；

3）將位移計(jì)對(duì)準(zhǔn)試板產(chǎn)生最大撓度的位置，即支承支座中間中心線上與距試板邊部 65 mm 的交點(diǎn)處；

4）加載：加載速度2.5 mm/min，測(cè)定并記錄規(guī)定載荷（890 N）下的集中靜載撓度值，然后卸載；

5）重復(fù)4）的步驟 2 次，然后取平均值，減小誤差；

6）加載盤以 5 mm/min的速度作用于加載點(diǎn)，測(cè)定和記錄試板破壞時(shí)的最大載荷。

2.3.2 沖擊荷載試驗(yàn)步驟

1）按照要求把標(biāo)準(zhǔn)板材切割成試驗(yàn)所需尺寸的試驗(yàn)板；

2）在沖擊荷載前，首先進(jìn)行集中靜載試驗(yàn)，將符合條件的試板平放在支撐支座上（支座支撐相距600 mm，邊緣無(wú)支撐），位移計(jì)對(duì)準(zhǔn)試板產(chǎn)生最大撓度的位置，即支承支座中間中心線上與距試板邊部 152 mm 的交點(diǎn)處，加載速度為2.5 mm/min，測(cè)定并記錄規(guī)定載荷（890 N）下的集中靜載撓度值，然后卸載；

3）然后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，首先將集中靜載試驗(yàn)裝置去掉，然后將試板準(zhǔn)確地放置在沖擊裝置的支撐上，放置的位置應(yīng)滿足沖擊皮袋能準(zhǔn)確地落在試驗(yàn)板材的加載點(diǎn)上，沖擊皮袋的起始降落高度為152 mm，之后每次按152 mm 遞增。沖擊高度一共有 5 個(gè)，擊落點(diǎn) 2 個(gè)；

4）每次沖擊試驗(yàn)完成后，重復(fù)步驟2），在 5次沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，以 5 mm/min 的加載速度增加集中荷載直至破壞，觀察試驗(yàn)板材的破壞情況。

2.4 輕型木結(jié)構(gòu)屋面板集中靜載和沖擊荷載性能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

根據(jù)GB 50206—2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)于輕型木結(jié)構(gòu)屋面板在集中靜載和沖擊荷載下的力學(xué)性能作出規(guī)定，如表2所示。

表2 屋面板集中靜載和沖擊荷載性能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)Tab.2 Concentrated static and impact load performance standard index of roof panel

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 定向秸稈屋面板的集中靜載性能分析

3.1.1 干態(tài)試驗(yàn)

將板材按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試板共為10塊，每塊設(shè)A,B 共2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量3次，測(cè)量位置如圖3。測(cè)量撓度的平均值及極限荷載列于表3。

表3 干態(tài)定向秸稈屋面板集中靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Concentrated static load experimental data of dry OSSB roof panel

由表3的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，12 mm的干態(tài)定向秸稈屋面板在規(guī)定集中靜載下的平均撓度為5.56 mm，與GB 50206—2012中規(guī)定的最大撓度12.7 mm相比僅為其43.78%；12 mm的干態(tài)定向秸稈屋面板在規(guī)定集中靜載下的平均極限荷載為2 821 N，與GB 50206—2012中規(guī)定的最小極限荷載1 780 N相比是其158%，且10組試驗(yàn)板材每組的極限荷載都大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 780 N。

3.1.2 濕態(tài)試驗(yàn)

將板材按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試板共為10塊，每塊設(shè)A,B 共2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量3次，測(cè)量前將板材用水噴淋其上表面連續(xù)3 d處于濕態(tài)，避免板材表面局部積水或任一部分沒(méi)入水中，測(cè)量位置如圖3。測(cè)量撓度的平均值及極限荷載列于表4。

表4 濕態(tài)定向秸稈屋面板集中靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Concentrated static load experimental data of wet OSSB roof panel

由表4的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，12 mm的濕態(tài)定向秸稈屋面板在規(guī)定集中靜載下的平均撓度為6.23 mm，與GB 50206—2012中規(guī)定的最大撓度12.7 mm相比僅為其49.06%，與干態(tài)定向秸稈板相比下降了5.28%；12 mm的濕態(tài)定向秸稈屋面板在規(guī)定集中靜載下的平均極限荷載為2 778 N，與GB 50206—2012中規(guī)定的最小極限荷載1 780 N相比是其156%，與干態(tài)定向秸稈板相比下降了2%，且10組試驗(yàn)板材每組的極限荷載都大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 780 N。

3.1.3 結(jié)論

綜合12 mm厚定向秸稈屋面板干濕狀態(tài)下的集中靜載性能試驗(yàn)，可以得出結(jié)論，濕態(tài)下的定向秸稈屋面板比干態(tài)下的定向秸稈屋面板平均撓度大0.67 mm，平均極限荷載小43 N，變化不大，且都超過(guò)GB 50206—2012中所規(guī)定的集中靜載性能技術(shù)指標(biāo)。

3.2 定向秸稈屋面板的沖擊荷載性能分析

3.2.1 干態(tài)試驗(yàn)

將板材按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試板共為6塊，每塊設(shè)A,B共2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量3次，測(cè)量位置如圖4。測(cè)量撓度的平均值及極限荷載列于表5。

由表5的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，12 mm的干態(tài)定向秸稈屋面板在沖擊荷載達(dá)到規(guī)定的102 N·m（即沖擊高度達(dá)到760 mm）的情況下，其平均撓度為5.46 mm，與GB 50206—2012中規(guī)定的最大撓度12.7 mm相比僅為其42.99%；6塊12 mm的干態(tài)定向秸稈屋面板都能達(dá)到102 N·m的沖擊荷載（即沖擊高度達(dá)到760 mm），且無(wú)破壞，平均極限荷載為3 257 N，與GB 50206—2012中規(guī)定的最小極限荷載1 330 N相比是其245%，且6組試驗(yàn)板材每組的極限荷載都大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1 330 N。

表5 干態(tài)定向秸稈屋面板沖擊荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Impact load experimental data of dry OSSB roof panel

3.2.2 濕態(tài)試驗(yàn)

將板材按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試板共為6塊，每塊設(shè)A,B共2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量3次，測(cè)量前將板材用水噴淋其上表面連續(xù)3 d處于濕態(tài)，避免板材表面局部積水或任一部分沒(méi)入水中，測(cè)量位置如圖4。測(cè)量撓度的平均值及極限荷載列于表6。

表6 濕態(tài)定向秸稈屋面板沖擊荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Impact load experimental data of wet OSSB roof panel

由表6的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，12 mm的濕態(tài)定向秸稈屋面板在沖擊荷載達(dá)到規(guī)定的102 N·m（即沖擊高度達(dá)到760 mm）的情況下，其平均撓度為6.09 mm，與GB 50206—2012中規(guī)定的最大撓度12.7 mm相比僅為其47.95%，與干態(tài)定向秸稈板相比下降了4.96%；6塊12 mm的濕態(tài)定向秸稈屋面板都能達(dá)到102 N·m的沖擊荷載（即沖擊高度達(dá)到760 mm），且無(wú)破壞，平均極限荷載為3 094 N，與GB 50206—2012中規(guī)定的最小極限荷載1 330 N相比是其232%，與干態(tài)定向秸稈板相比下降了13%，且6組試驗(yàn)板材每組的極限荷載都大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 330 N。

3.2.3 結(jié)論

綜合12 mm厚定向秸稈屋面板干濕狀態(tài)下的沖擊荷載性能試驗(yàn)，可以得出結(jié)論，濕態(tài)下的定向秸稈屋面板比干態(tài)下的定向秸稈屋面板平均撓度大0.63 mm，平均極限荷載小163 N，變化不大，且都超過(guò)GB 50206—2012中所規(guī)定的沖擊荷載性能技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

1）定向秸稈屋面板干濕狀態(tài)下，集中靜載的平均撓度分別為5.56 mm和6.23 mm，濕態(tài)集中靜載撓度比干態(tài)增加0.67 mm，分別為GB 50206—2012所規(guī)定的集中靜載撓度的43.78%和49.06%；干濕狀態(tài)下，集中靜載的極限荷載分別為2 821 N和2 778 N，濕態(tài)極限荷載比干態(tài)小43 N，且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的1 780 N。因此，定向秸稈屋面板的集中靜載性能符合標(biāo)準(zhǔn)，且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2）定向秸稈屋面板干濕狀態(tài)下，在沖擊荷載達(dá)到規(guī)定的102 N·m（即沖擊高度達(dá)到760 mm）的情況下其平均撓度分別為5.46 mm和6.09 mm，濕態(tài)集中靜載撓度比干態(tài)增加0.63 mm，分別為GB 50206—2012所規(guī)定的集中靜載撓度的42.99%和47.95%；干濕狀態(tài)下，集中靜載的極限荷載分別為 3 257 N和3 094 N，濕態(tài)極限荷載比干態(tài)小163 N，且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 330 N。因此，定向秸稈屋面板的沖擊荷載性能符合標(biāo)準(zhǔn)，且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3）定向秸稈板的集中靜載性能和沖擊荷載性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。并且由于其利用秸稈為主要原料，符合中國(guó)國(guó)情，更加生態(tài)環(huán)保[14]，是現(xiàn)在輕型木結(jié)構(gòu)建筑中常用的定向刨花板和針葉木膠合板良好的替代產(chǎn)品，有利于輕型木結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)的發(fā)展[15-16]。

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