玉米秸稈重組集成梁受剪性能研究綜述

翟 蓮 劉長安 錢詠梅 張竹軍 楊瑩瑩

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 前言

經(jīng)濟的快速發(fā)展需要大量的木材資源。我國森林覆蓋面積較小，代木材料就顯得十分重要。這些年研究者對農(nóng)作物秸稈進行了試驗研究，不少秸稈經(jīng)過加工可以達到環(huán)保、節(jié)能、低碳的效果，市場價值較大。農(nóng)作物秸稈制板技術(shù)始于20世紀初，源自于西歐[1]。1921年，美國利用甘蔗渣制造軟質(zhì)纖維板，20世紀40年代末以后，以麻稈等農(nóng)作物的秸稈、甘蔗渣為原材料的人造板廠都得到一定的發(fā)展[2]。此外，還將農(nóng)作物秸稈制作成墻體板材，如麥秸中密度纖維板和麥秸定向刨花板[3]。

文章研究的玉米秸稈重組集成材就是一種可再生資源，本項目屬于吉林省科技廳重大項目，項目編號為20180201066SF，合理地開發(fā)和利用玉米秸稈重組集成梁將有助于綠色建材的發(fā)展。

玉米秸稈重組集成材制備工藝主要包括選材、據(jù)板、砂光、涂膠、加鎖固定、齊頭截斷、打磨處理等環(huán)節(jié)。文章采用ABAQUS有限元軟件對水平紋水平拼接的玉米重組集成梁抗剪性能進行有限元模擬分析，再結(jié)合試驗現(xiàn)象進行研究。這里我們只研究剪跨比為1的梁受剪性能破壞機理，觀察和對比玉米秸稈重組集成梁的受剪情況，并進行歸納、整理。

1 試驗概況

1.1 試驗準備

本試驗試件是兩根相同尺寸大小的水平紋水平拼接的玉米秸稈重組集成梁。尺寸為120 mm×150 mm×1 800 mm(寬×高×長)的試件，采用四點加載法進行加載（如圖1-1所示）。試件從加載到破壞的時間一般控制在10 min以內(nèi)。試驗設(shè)備采用廠房配備的500 kN微機控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)（如圖1-2所示），數(shù)據(jù)通過DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進行提取。為了測量梁的撓度和應(yīng)變，試件梁加載點下方各安裝一個位移計，加載點周圍和梁中間沿截面高度都需要貼上應(yīng)變片。試驗前調(diào)試試驗儀器，檢查連接到電腦上的靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)是否平衡、讀取數(shù)據(jù)是否準確、參數(shù)設(shè)置是否滿足要求。

圖1 -1 梁示意圖

圖1 -2 試驗機器

1.2 試驗現(xiàn)象和破壞機理

第一根梁的試驗：在加載初期，荷載隨時間呈線性變化，隨著荷載的不斷增大，梁上部受壓和梁下部受拉位置會慢慢起皮，重組集成梁的纖維會發(fā)出撕裂的聲響；隨著荷載的增大，梁的下部會聽到間斷性的噼里啪啦聲音；隨著荷載的繼續(xù)增加，在荷載達到59 kN時，發(fā)出劇烈的聲響，荷載急劇下降，梁中間位置發(fā)生受彎破壞（如圖2-1所示）。

第二根梁的試驗：隨著荷載的增加，受剪區(qū)會發(fā)出間斷性的噼里啪啦聲音；隨著荷載的繼續(xù)增加，梁下部受拉區(qū)會逐漸起皮，且受剪區(qū)噼里啪啦的聲音會更加頻繁，在受剪區(qū)會看到裂紋從中間向梁上部受壓區(qū)和梁支座發(fā)展；最后伴隨著一聲聲響，在梁受剪區(qū)下部發(fā)生了受剪破壞（如圖2-2所示）。

圖2 -1 梁試驗過程

圖2 -2 梁試驗過程

1.3 試驗結(jié)果分析

通過試驗，第一根梁在荷載達到59 kN時發(fā)生受彎破壞，第二根梁在荷載達到41.45 kN時發(fā)生受剪破壞。通過對比兩根梁的跨中荷載-位移曲線（如圖3-1所示），發(fā)現(xiàn)荷載位移曲線的變化趨勢基本一致。加載初期都呈線性增長，隨著荷載的增大，位移也在增加，第二根梁的變形比第一根梁的變形大。在相同荷載作用下，第二根梁的變形較為嚴重，受剪區(qū)發(fā)生變形，材料纖維之間受力，發(fā)生受剪破壞，梁跨中下部位置起皮。第一根梁的變形主要發(fā)生在跨中受彎區(qū)，當荷載加載到一定值，位移變化較大，直到最后發(fā)生脆性破壞，屬于受彎破壞。

圖3 -1 試件跨中荷載—位移曲線

兩根梁跨中不同位置的應(yīng)變片可以測量隨著荷載的增加沿截面高度的應(yīng)變變化，通過數(shù)據(jù)的整理和分析，兩根梁的跨中沿截面高度變化曲線趨勢基本相同，梁上部受壓區(qū)應(yīng)變值都小于梁下部受拉區(qū)應(yīng)變值，受彎破壞的梁沿截面高度應(yīng)變變化較為明顯，增長速度較快，隨荷載的不斷增加，應(yīng)變值較大（如圖3-2所示）。受剪破壞的梁沿截面高度應(yīng)變變化較小，應(yīng)變值較小（如圖3-3所示）。

圖3 -2 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

圖3 -3 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

2 模擬分析

采用ABAQUS有限元軟件對玉米秸稈重組集成梁受剪情況進行有限元分析，采用有限單元法。有限單元法是一種利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬分析計算的數(shù)值分析方法[4]。而ABAQUS則是一款功能強大的有限元分析軟件，具有較強的計算能力和廣泛的模擬能力，含有豐富的單元模型、材料模型及分析過程[3]。無論是簡單的線性問題還是非線性組合問題，都能夠通過計算機運算得到滿意的結(jié)果[6]。

玉米秸稈重組集成材屬于各向異性材料，在不同方向上的模量各不相同，差異比較大。根據(jù)以往所做的玉米秸稈重組集成材水平紋水平拼接梁的材料性能試驗數(shù)據(jù)，對材料屬性進行定義，每層材料之間的膠層采用實體建模，每層板與膠之間設(shè)置綁定。梁下墊有墊塊，梁的尺寸為120 mm×150 mm×1 800 mm（寬×高×長）。通過創(chuàng)建部件、屬性、裝配，設(shè)置分析步，定義荷載、邊界條件，劃分網(wǎng)格，經(jīng)分析后得到應(yīng)力云圖（如圖4所示）。梁的受剪區(qū)域應(yīng)力較大，最大應(yīng)力集中在支座和墊片周邊，梁上部受壓區(qū)和梁下部受拉區(qū)都有應(yīng)力，其值比受剪區(qū)域較小，梁跨中上部位置產(chǎn)生的是較小的負應(yīng)力，梁下部位置產(chǎn)生的是正應(yīng)力。梁兩端應(yīng)力較小。在荷載作用下，梁受剪區(qū)域應(yīng)力不斷增加，直至最后發(fā)生受剪破壞。

圖4 應(yīng)力云圖

通過軟件模擬，我們導(dǎo)出梁荷載-位移曲線（如圖5-1所示）。荷載開始隨著時間和位移呈線性變化，隨后荷載增加，位移變化較大，直至最后發(fā)生受剪破壞，最大值為52 kN，導(dǎo)出荷載沿截面高度變化曲線（如圖5-2所示），觀察發(fā)現(xiàn)：跨中隨高度發(fā)生的應(yīng)變較小，變化較為均勻，變化趨勢同試驗基本相同；梁跨中拉應(yīng)變值比壓應(yīng)值的變化要大些，但都是均勻增長。

圖5 -1 試件跨中荷載—位移曲線

圖5 -2 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

3 總結(jié)

文章通過四點加載法對兩根玉米秸稈重組集成材水平紋水平拼接梁進行了試驗，并通過模擬分析進行對比，所得荷載-位移曲線變化趨勢大致相同，梁跨中沿截面高度曲線趨勢基本一致，梁跨中受壓區(qū)應(yīng)變值比受拉區(qū)應(yīng)變值小，梁跨中受壓區(qū)和受拉區(qū)都有較小應(yīng)力。影響梁受剪的因素很多，本試驗極限荷載相差較大，材料本身存在不穩(wěn)定性，還需進行大量研究。玉米秸稈重組集成梁是一種代木結(jié)構(gòu)的綠色建材，其應(yīng)用將會為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。