木結(jié)構(gòu)工字梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李軍偉 云建輝

摘要：? 對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁的規(guī)格尺寸及主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，木結(jié)構(gòu)工字梁具有卓越的物理力學(xué)性能，能夠滿足使用相關(guān)性能的要求;木結(jié)構(gòu)工字梁作為替代實(shí)木梁的木建筑構(gòu)件，具有其突出的自身優(yōu)勢(shì)，木結(jié)構(gòu)工字梁比實(shí)木梁具有更高的強(qiáng)度、剛度、尺寸穩(wěn)定性，具有更大的跨度能力以及更小發(fā)生幾率的翹曲、扭曲和劈裂，有更低的伸縮率。

關(guān)鍵詞：? 木結(jié)構(gòu)工字梁;? 優(yōu)化設(shè)計(jì);? 技術(shù)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：? ?S 781. 2， TU 531. 2? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2019）02 - 0031 - 03

木結(jié)構(gòu)工字梁是用林木速生材或小徑材為原料的板材或木質(zhì)復(fù)合材料等作為翼緣，以木質(zhì)結(jié)構(gòu)板材作為腹板，通過使用耐久性能優(yōu)良的冷固性膠粘劑膠合而成的木質(zhì)結(jié)構(gòu)梁，在木結(jié)構(gòu)建筑中稱為工字?jǐn)R柵。木結(jié)構(gòu)工字梁具有卓越的物理力學(xué)性能，它使用了具有一定力學(xué)強(qiáng)度的單板層積材，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得木結(jié)構(gòu)工字梁具有更加均一的性能、連續(xù)的尺寸和密度。由于木結(jié)構(gòu)工字梁可以根據(jù)翼緣的尺寸設(shè)計(jì)出不同的跨度，因而有更多的選擇性和更大的靈活性。木結(jié)構(gòu)工字梁由于翼緣和腹板使用了不同的木質(zhì)復(fù)合材料，其重量要比實(shí)木工字梁輕便，更容易運(yùn)輸、裝卸，減少了勞動(dòng)力，節(jié)省成本。木結(jié)構(gòu)工字梁結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、質(zhì)均且重量輕，在輕型木結(jié)構(gòu)建筑中能夠在很大的跨度上支撐大的荷載而不易彎曲下沉，同時(shí)能夠減少木結(jié)構(gòu)房屋由于收縮、起翹、彎曲、扭曲和開裂引起的地面不平整等一系列質(zhì)量問題[ 1 ]，因而具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

1 木結(jié)構(gòu)工字梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1. 1 木結(jié)構(gòu)工字梁受力分析

為了對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對(duì)其受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。木結(jié)構(gòu)工字梁在木結(jié)構(gòu)建筑中使用時(shí)的受力形式可簡(jiǎn)化為承受均布荷載的簡(jiǎn)支梁（圖1），即工字梁的受力體現(xiàn)為梁受到均布荷載（q為荷載集度）的外力作用。由圖1可知，木結(jié)構(gòu)工字梁中間位置的彎矩最大，在材料種類和截面尺寸相同的情況下，彎矩越大則梁的形變量也越大，工字梁的形變量主要由力學(xué)指標(biāo)中的撓度來表示。撓度是木結(jié)構(gòu)工字梁靜態(tài)力學(xué)性能的重要指標(biāo)，也是木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中主要的性能指標(biāo)之一。

圖2顯示，木結(jié)構(gòu)工字梁上部翼緣主要承受來自上方荷載為P的壓應(yīng)力作用，lb為木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣寬度。由材料力學(xué)理論可知，梁中間腹板主要承受剪應(yīng)力作用，梁下部翼緣主要承受拉應(yīng)力作用。梁受力時(shí)，距離中性軸越遠(yuǎn)，則應(yīng)力越大，所以在梁中間腹的中心軸上應(yīng)力為零，而最大剪應(yīng)力則發(fā)生在中性軸上[ 2 ]。在木結(jié)構(gòu)工字梁受力的情況下，如果木結(jié)構(gòu)工字梁結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)不合理，例如梁中間腹板設(shè)計(jì)厚度過小，或者腹板高度設(shè)計(jì)過大，都有可能會(huì)出現(xiàn)梁的側(cè)向失衡。因此，木結(jié)構(gòu)工字梁設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮翼緣有足夠的抗拉抗壓能力，中間腹板要有足夠的抗剪能力。

1. 2 木結(jié)構(gòu)工字梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)

木結(jié)構(gòu)工字梁是橫截面為“I”型的木質(zhì)結(jié)構(gòu)梁，其結(jié)構(gòu)通常是通過一個(gè)接口使兩個(gè)翼緣和一個(gè)腹板組合成一個(gè)整體（圖3）。

1. 2. 1 木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣設(shè)計(jì)

為了使木結(jié)構(gòu)工字梁具有良好的力學(xué)性能，在其翼緣材料的選擇上要求上、下翼緣應(yīng)使用同一樹種木材，或物理力學(xué)性能相似的結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料;材料的厚度和木材的含水率盡可能保持一致。木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣材料可采用規(guī)格鋸材或結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復(fù)合材料，其規(guī)格尺寸一般根據(jù)材料性能和所制備工字梁產(chǎn)品性能的要求進(jìn)行選擇。木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣材料選擇規(guī)格工業(yè)速生材板材或鋸材時(shí)，板材或鋸材的材質(zhì)質(zhì)量要求符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50206《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》和GB50005《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)的要求規(guī)定[ 3 ];工字梁翼緣材料選擇結(jié)構(gòu)用單板層積材時(shí)，材料質(zhì)量要求和性能指標(biāo)要求符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20241《單板層積材》的相關(guān)規(guī)定要求[ 4 ]。木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣也可以使用指接集成材，翼緣使用長(zhǎng)指接材時(shí)，長(zhǎng)度要大于2 400 mm。木結(jié)構(gòu)集成材的翼緣寬度一般要大于35 mm，厚度要大于30 mm。

1. 2. 2 木結(jié)構(gòu)工字梁的腹板設(shè)計(jì)

木結(jié)構(gòu)工字梁的腹板材料一般選用木質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)板材，例如采用定向刨花板（OSB）或結(jié)構(gòu)膠合板。木結(jié)構(gòu)工字梁的腹板規(guī)格尺寸，主要是依據(jù)所制作工字梁最終產(chǎn)品的性能要求來確定的。腹板為定向刨花板時(shí)，其質(zhì)量和性能指標(biāo)應(yīng)符合林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1580-2010《定向刨花板》的規(guī)定;腹板材料為結(jié)構(gòu)膠合板時(shí)，其質(zhì)量和性能指標(biāo)要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22349《木結(jié)構(gòu)覆板用膠合板》的相關(guān)規(guī)定。木結(jié)構(gòu)工字梁的腹板材料也可接長(zhǎng)使用，但要求腹板的厚度要大于9 mm。 在膠黏劑的選擇上，粘接膠粘劑要使用結(jié)構(gòu)型膠粘劑[ 5 ]，一般選用耐久性能優(yōu)良的冷固性膠粘劑，木結(jié)構(gòu)工字梁的膠合性能要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50329《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定。

1. 2. 3 木結(jié)構(gòu)工字梁的接口設(shè)計(jì)

木結(jié)構(gòu)工字梁是以速生材為原料的板材作為翼緣，以木質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)板材作為腹板，通過一個(gè)接口使翼緣和腹板連接組合。翼緣/腹板的接口連接方式，一方面使木質(zhì)工字梁得以成型，另一方面能起到傳遞荷載并賦予木結(jié)構(gòu)工字梁更好的力學(xué)性能的目的。為了賦予木結(jié)構(gòu)工字梁更好的力學(xué)性能，對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板接口采用梯形槽接口形式，木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣/腹板梯形槽接口剖面結(jié)構(gòu)如圖4中所示。其中，β為工字梁梯形槽的接口角;i為工字梁梯形槽的接口高度;e為工字梁槽底間隙，也是工字梁生產(chǎn)工藝必需留有的空間;h為工字梁翼緣高度;b為翼緣寬度;tw為工字梁腹板厚度。在進(jìn)行梯形槽接口角β和梯形槽接口高度i的設(shè)定時(shí)，主要考慮兩個(gè)因素：一方面要考慮翼緣與腹板的膠合強(qiáng)度問題，另一方面要考慮木結(jié)構(gòu)工字梁對(duì)荷載的承受能力。木結(jié)構(gòu)工字梁的腹板上可以根據(jù)產(chǎn)品要求開洞口，產(chǎn)品說明中需要規(guī)定腹板洞口位置和洞口允許的最大尺寸;留有洞口的工字梁產(chǎn)品還需要再次進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。

2 木結(jié)構(gòu)工字梁的規(guī)格尺寸及主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

2. 1 木結(jié)構(gòu)工字梁的規(guī)格尺寸及偏差

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以滿足木結(jié)構(gòu)工字梁在不同使用環(huán)境下的性能要求。木結(jié)構(gòu)工字梁的規(guī)格尺寸一般設(shè)計(jì)為：工字梁的長(zhǎng)度尺寸2400～5 500 mm，工字梁翼緣寬度通常為35～90 mm;工字梁的高度尺寸一般為 240、300、350和400 mm。木結(jié)構(gòu)工字梁的規(guī)格尺寸偏差如表1所示。

2. 2 木結(jié)構(gòu)工字梁的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

對(duì)木質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工字梁進(jìn)行的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，本試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50329《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。木質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)工字梁的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果：工字梁高度200 mm，長(zhǎng)度3 m，重量4.6 kg/m，含水率12%～14%;工字梁翼緣尺寸：寬度80 mm，厚度40 mm;工字梁腹板厚度27 mm;木結(jié)構(gòu)工字梁彎矩5.0 kN·m;剪切力11.2 kN，撓度1/500（允許形變量測(cè)試），彈性模量（E）10 200 N/mm2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，木結(jié)構(gòu)工字梁翼緣和腹板由于使用了不同的木質(zhì)復(fù)合材料：翼緣采用結(jié)構(gòu)多層膠合板，腹板采用定向刨花板（OSB），并采用了不同的尺寸規(guī)格：工字梁長(zhǎng)度為3 mm、高度200 mm、工字梁翼緣寬度80 mm、翼緣厚度40 mm，這樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)出的木結(jié)構(gòu)工字梁具有較高的強(qiáng)度、剛度和尺寸穩(wěn)定性，具有更大的跨度能力以及更小發(fā)生幾率的翹曲、扭曲和劈裂，有更低的伸縮率，可以滿足輕型結(jié)構(gòu)木建筑中對(duì)工字梁性能的基本要求。

3 結(jié) 論

3. 1 木結(jié)構(gòu)工字梁是利用可再生資源生產(chǎn)的建筑構(gòu)件。在木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣和腹板部分，使用不同的木質(zhì)復(fù)合材料來代替以優(yōu)質(zhì)實(shí)木為原料的實(shí)木梁，故是節(jié)能型、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境大背景下木材工業(yè)發(fā)展的新模式。

3. 2 通過對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得木結(jié)構(gòu)工字梁具有更加均一的性能、連續(xù)的尺寸和密度。試驗(yàn)表明，木結(jié)構(gòu)工字梁具有卓越的物理力學(xué)性能，能更好地滿足輕型結(jié)構(gòu)木建筑中對(duì)工字梁力學(xué)性能和產(chǎn)品成本的要求。

3. 3 木結(jié)構(gòu)工字梁是一種資源高效利用型現(xiàn)代木質(zhì)建筑材料，其作為替代實(shí)木梁的木建筑構(gòu)件具有突出的自身優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)木結(jié)構(gòu)工字梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究探索速生林木的高效利用，為木質(zhì)工字梁的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

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第1作者簡(jiǎn)介：? 李軍偉（1974-），? 男，? 碩士，? 副教授，? 研究方向：? 主要從事木材加工技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與研究。

通訊作者：? 云建輝（1981-），? 女，? 在讀博士，? 講師。

收稿日期： 2018 - 12 - 25

（責(zé)任編輯：? ?潘啟英）