預組型木結(jié)構(gòu)工字梁承壓能力研究

李軍偉 陳竹

摘要： 本文對預組型木質(zhì)工字梁的結(jié)構(gòu)性能進行分析研究。通過對梁接口承壓能力的測試結(jié)果表明：IB翼緣/腹板接口的端頭承壓破壞可分為先期破壞（對應的是無效膠合或膠合不良）和終極破壞（對應的是有效膠合）二種主要形式，先期破壞主要是翼緣/腹板膠合層的剪切破壞或工字梁槽底木材的橫紋拉伸破壞，終極破壞的形式是工字梁膠合層剪切、翼緣槽底木材橫紋拉伸和壓縮的綜合性全面破壞。由于終極破壞荷載是工字梁接口的最大垂向抗壓破壞荷載，因此要求木結(jié)構(gòu)工字梁接口幾何尺寸的設計應努力避免垂向受壓時不發(fā)生先期破壞。

關(guān)鍵詞： 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁； 接口分析； 承壓能力測試

中圖分類號： S 781. 6， TU 366. 2 文獻標識碼： A

文章編號： 1001 - 9499 （2018） 02 - 0050 - 04

木質(zhì)工字梁翼緣腹板是利用以速生木材為主要原料的規(guī)格板材，或結(jié)構(gòu)用復合木質(zhì)材料等重組型承重性木質(zhì)材料作為翼緣，以木基結(jié)構(gòu)板材作為腹板，并用耐久性能優(yōu)良的冷固性膠粘劑進行膠合，形成橫截面為“工”型的結(jié)構(gòu)用梁，亦稱工字擱柵。木質(zhì)結(jié)構(gòu)工字梁可以根據(jù)不同用途，有針對性地設計其規(guī)格尺寸并可以實現(xiàn)預制化生產(chǎn)，又稱為預組木結(jié)構(gòu)工字梁（Prefabricated Wood I-beam），簡稱IB（圖1）。

1 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁結(jié)構(gòu)性能分析

1. 1 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁接口形式

預組型木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣與腹板，是由兩種材性不同的木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料拼裝在一起的，要保證其使用性能，需要通過工字梁翼緣/腹板接口的有效結(jié)合才能組合成一個整體。通過接口連接，一方面使工字梁得以成型，另一方面也起到了傳遞荷載和保持其力學性能的作用。

目前，預組型木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板的主要連接方式有有釘接、膠接和釘膠接合三種，不同的接合方式對工字梁的接口幾何形狀要求也會有所不同（圖2）。梯形槽接口是工程中預組型木結(jié)構(gòu)工字梁常見的接口形狀（圖3）。

在圖3中，β角度為梯形槽的接口角，梯形槽的接口高度用i來表示，其中，梯形槽的接口角和梯形槽接口高度的設定，一方面要考慮膠合問題，另一方面也要考慮IB的承載能力。e為槽底間隙，也是木結(jié)構(gòu)工字梁制造工藝必需留備的。翼緣高度和翼緣寬度分別用a和b來表示，tw為木結(jié)構(gòu)工字梁腹板厚度。

1. 2 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁端部連接分析

預組型木結(jié)構(gòu)工字梁在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中使用時，端部連接的兩種連接方式主要為搭接和托梁架連接（圖4）。木結(jié)構(gòu)工字梁端部所使用的規(guī)格板材規(guī)格通常為截面尺寸40 mm×90 mm或40 mm×140 mm，因此木結(jié)構(gòu)工字梁上搭接部分的長度一般不會超過100 mm。預組型木結(jié)構(gòu)工字梁端頭的受力部位主要發(fā)生在梁兩個端頭的支撐部位。

在工程結(jié)構(gòu)中，由于與屋頂梁板或金屬連接件相連接的工字梁端部支撐部位承載了梁自重及工字梁上部建筑構(gòu)件的向下壓力，所以，木結(jié)構(gòu)工字梁的端部是最易破壞的部位。在圖4（a）中，IB端頭支撐部位要承受工字梁傳下來的荷載和墻體直接傳遞的向下荷載；在圖4（b）中，IB僅承受了工字梁傳遞的荷載。而上述兩種情況均會導致梁本身至IB端頭垂向承載的失效，如圖5所示。因此，需要考察木結(jié)構(gòu)工字梁端頭支撐部位的垂向承壓能力。

IB翼緣/腹板接口以梯形槽嵌合，并采用室外型膠黏劑進行粘連，這使IB端頭受力情況變得復雜。在IB端頭承受垂向荷載時，其翼緣/腹板接口受力情況并不僅僅是翼緣木材橫紋受壓，而是結(jié)合了膠合層剪切、翼緣槽底橫紋受拉等多種受力情況，而翼緣材料的抗剪和橫紋抗拉性能要低于橫紋抗壓性能，使得翼緣/腹板接口處成為IB端頭最薄弱的環(huán)節(jié)，限制了IB端頭的承壓能力，故當IB端頭垂向承壓時，實際上考察的是IB翼緣/腹板接口的垂向承壓能力。

2 預組型木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口承壓能力研究

2. 1 試驗材料與方法

2. 1. 1 試驗材料

翼緣材料：選用意楊酚醛樹脂單板層積材，簡稱：LVL，產(chǎn)地為連云港博愛木業(yè)有限公司。板材的高度h和寬度b均為40 mm，板材的絕干密度為460 kg/m3，氣干含水率為11.3%。板材的力學性能分別為：順紋抗拉強度為34.7 MPa，順紋抗壓強度為30.2 MPa，順紋抗拉彈性模量為8 700 MPa，順紋抗壓彈性模量分別為8 700 MPa和6 700 MPa。板材達到國標90E型LVL的質(zhì)量要求。

翼緣腹板材料：選用酚醛樹脂竹大片刨花板，簡稱：BW，產(chǎn)地為云南省墨江綠特竹制品廠。板材的厚度規(guī)格為10 mm，絕干密度為850 kg/m3，氣干含水率為11.0%，靜曲強度為40.0 MPa，靜曲彈性模量4 200 MPa，內(nèi)結(jié)合強度0.70 MPa。板材達到我國林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1580-2000《定向刨花板》中規(guī)定的OSB/3的板材性能要求。

膠粘劑的選擇和調(diào)制：本試驗選用市場上常用的交聯(lián)型聚醋酸乙烯酯（俗稱：白乳膠）。膠粘劑調(diào)膠時組分比為：聚醋酸乙烯酯∶氯化銨 = 100∶15，施膠量控制在500 g/m2，板材的加壓固化時間為30～45 min。

2. 1. 2 試件尺寸

試件從預組完畢的木結(jié)構(gòu)工字梁的整梁上截取，沿整梁縱向方向上截取的試件長度L按建筑規(guī)范要求取100 mm；為防止由于腹板屈曲失穩(wěn)而影響試驗結(jié)果，所以截取的腹板高度為6 mm；槽底間隙e的尺寸為1 mm 。

試驗中通過工字梁的破壞形式和加壓時的破壞荷載（kN）來衡量木結(jié)構(gòu)工字梁的抗壓能力。

2. 1. 3 選用儀器設備

試驗用力學試驗機，選用日本島津5 t萬能力學試驗機，精度為10 N；銑床采用立式單軸木工銑床，型號為MX5117B；鋸機選用德國費斯托多功能木工圓鋸機。其他有實驗室自制的工字梁翼緣/腹板組裝夾具、游標卡尺（精度0.01 mm）等。

2. 1. 4 試驗操作過程

安裝調(diào)試好力學試驗機壓頭，試驗前保持力學試驗機的壓頭、試件和操作臺的中心在同一垂直面上。試驗過程中，力學試驗機以1 mm/min的速度緩慢加載；伴隨試驗的過程，進行拍照并記錄不同階段試件破壞形式。

2. 2 試驗結(jié)果與分析

據(jù)試驗觀察和分析，預組型木結(jié)構(gòu)工字梁接口處垂向抗壓破壞的形式主要有兩種：一種是發(fā)生于圖6中B點的先期破壞形式，另一種是發(fā)生于圖7中C點的終極破壞形式。

先期破壞主要是翼緣/腹板因膠合不良（即無效膠合）而首先在B點發(fā)生的膠合層的剪切破壞（圖8a）。此時，膠合層的承壓能力失效，腹板隨之深入槽底，導致翼緣槽底木材的橫紋劈裂（圖8b）；由于預組木結(jié)構(gòu)工字梁在外力作用下已經(jīng)發(fā)生了膠合層剪切破壞或翼緣拉伸破壞，此時工字梁膠合層的承壓能力和翼緣槽底木材的橫紋抗拉能力已經(jīng)失效，隨著外力的繼續(xù)，工字梁的翼緣槽底木材獨立發(fā)揮出了橫紋承壓能力。這一過程往往大于上述承剪或承拉能力的翼緣木材承壓能力，接力式地承擔著整個工字梁翼緣/腹板接口部位的垂向荷載，當加壓過程到達圖6中的C點時，單板層積材LVL翼緣就會徹底被壓壞，在一過程中，整個工字梁的翼緣/腹板接口部位的垂向承壓能力將會徹底失效。正因為這一過程的存在，所以預組型木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板接口B點前后的彈性段曲線上會呈現(xiàn)出兩個不同的斜率（圖6）。

與先期破壞形式不同的是，翼緣/腹板接口的終極破壞（圖8c）是因為膠合層擁有足夠膠合強度（即有效膠合），當木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣單板層積材具有足夠的橫紋抗拉能力，即到達B點時，木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板接口并不發(fā)生破壞；當木結(jié)構(gòu)工字梁腹板槽頭帶著其兩側(cè)翼緣材料下落至翼緣槽底，由于木結(jié)構(gòu)工字梁的膠合層承剪能力、翼緣橫紋承拉能力和翼緣橫紋承壓能力一起，共同承擔木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣/腹板向下荷載，當?shù)竭_C點處時（圖7），木結(jié)構(gòu)工字梁發(fā)生剪切、拉伸和壓縮等綜合性全面破壞（圖8c）。由于剪切、拉伸和壓縮三力合一，木結(jié)構(gòu)工字梁終極破壞會顯現(xiàn)出比先期破壞更高的垂向承載能力。試驗表明：木結(jié)構(gòu)工字梁終極破壞是從膠合層先期剪切、翼緣橫紋先期拉伸發(fā)展到木結(jié)構(gòu)工字梁整個接口系統(tǒng)的崩潰性，最終發(fā)生綜合性全面破壞。終極破壞荷載是木結(jié)構(gòu)工字梁接口的最大垂向抗壓破壞荷載。

3 結(jié) 論

3. 1 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板接口的端頭承壓破壞可分為先期破壞（對應的是無效膠合或膠合不良）和終極破壞（對應的是有效膠合）二種主要形式。先期破壞主要是翼緣/腹板膠合層的剪切破壞，或工字梁槽底木材的橫紋拉伸破壞；終極破壞的形式是工字梁膠合層剪切、翼緣槽底木材橫紋拉伸和壓縮的綜合性全面破壞。

3. 2 終極破壞荷載是木結(jié)構(gòu)工字梁接口的最大垂向抗壓破壞荷載，因此要求木結(jié)構(gòu)工字梁的接口幾何尺寸的設計應努力避免垂向受壓時不發(fā)生先期破壞；翼緣/腹板接口槽深設計時，應避免木結(jié)構(gòu)工字梁垂向受壓時膠合層的剪切破壞或翼緣槽底的橫紋拉伸破壞。

3. 3 預組型木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板接口的承壓能力研究，為IB工業(yè)化生產(chǎn)所用翼緣材料的適用性選擇、翼緣/腹板接口的膠合性能判定和翼緣/腹板接口的承壓能力要求提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 加拿大林業(yè)協(xié)會. 中國輕型木結(jié)構(gòu)房屋建筑施工指南[M]. 加拿大： 加拿大林業(yè)協(xié)會出版社， 2010.

[2] 中國國家標準化管理委員會， 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 單板層積材（GB/T20241-2006）[S]. 北京： 中國標準出版社， 2006.

[3] 國家林業(yè)局. 定向刨花板（LY/T1580-2000）[S]. 北京： 中國標準出版社， 2000.

[4] 中國國家標準化管理委員會， 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50206-2002）[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2002.

[5] 李軍偉， 陳竹， 黃榮文. 木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口膠合性能研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè)， 2015（6）： 23 - 26 + 47.

[6] 李軍偉， 陳竹， 黃榮文. 預組型木質(zhì)工字梁翼緣/腹板接口的抗劈裂性能研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè)， 2016（6）： 35 - 36 + 41.

第1作者簡介： 李軍偉（1974-）， 男， 碩士， 副教授， 國家職業(yè)技能鑒定高級考評員， 主要從事木材加工技術(shù)的教學與研究工作。

（責任編輯： 潘啟英）