新型木質(zhì)復(fù)合工字梁腹板剪切性能的研究*

李中喜 魏明

山東新港企業(yè)集團(tuán)有限公司 山東 臨沂 276007

引言

預(yù)組型木質(zhì)工字梁，在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5055中定義為：以鋸材或重組型木質(zhì)材料為翼緣，以結(jié)構(gòu)板材為腹板，通過(guò)室外用膠粘劑結(jié)合在一起的斷面為“I”字形結(jié)構(gòu)用材。在建筑應(yīng)用中，上翼緣主要承受壓應(yīng)力作用，下翼緣主要承受了拉應(yīng)力作用，腹板主要承受剪應(yīng)力作用[1-2]。

開(kāi)展木質(zhì)工字梁基礎(chǔ)研究，對(duì)發(fā)展我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑和木質(zhì)建筑材料的研究意義重大。腹板是木質(zhì)工字梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，腹板的規(guī)格、性能很大程度上決定了木質(zhì)復(fù)合工字梁的性能，所以對(duì)腹板性能的研究可為木質(zhì)工字梁性能設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

1 木質(zhì)復(fù)合工字梁腹板受力分析

腹板是木質(zhì)工字梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在實(shí)際使用中，木工字梁用腹板材料的橫截面剪切性能對(duì)木質(zhì)工字梁整梁的靜曲性能產(chǎn)生影響。

由材料力學(xué)的知識(shí)分析得知[3]，木質(zhì)復(fù)合工字梁在建筑使用時(shí)的受力形式可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁承受均布載荷的作用（圖1-a），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[4-5]。由圖1-a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。

圖1 木質(zhì)復(fù)合工字梁受力分析

圖1-b顯示，木質(zhì)工字梁上部翼緣主要承受來(lái)自上方荷載為P的壓應(yīng)力作用，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，而最大剪應(yīng)力則發(fā)生在中性軸上[6-7]。當(dāng)木質(zhì)工字梁腹板厚度不足或受到側(cè)向力作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生向一側(cè)的變形，這種現(xiàn)象叫作壓板失穩(wěn)，屬于腹板穩(wěn)定性問(wèn)題，因此木質(zhì)工字梁中間腹板要有足夠的抗剪能力。

2 試驗(yàn)材料與方法

當(dāng)腹板不發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)時(shí)，靜曲狀態(tài)下木質(zhì)工字梁腹板的橫截面受到剪應(yīng)力作用。如果剪應(yīng)力大于板材的抗剪強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致腹板橫截面發(fā)生水平或垂向剪切破壞。所以對(duì)木質(zhì)復(fù)合工字梁腹板材料橫截面剪切性能的研究尤為重要。

由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)人造板橫截面抗剪性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)參考澳洲/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS2269.1-2012的基本原理和結(jié)構(gòu)性能測(cè)定試驗(yàn)方法，研究設(shè)計(jì)了測(cè)試腹板材料橫截面抗剪性能的雙軌測(cè)試夾具和檢測(cè)方法，以此獲得腹板材料的橫截面抗剪性能。

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 刨花板：厚度27mm，取密度水平為638kg/m3、727kg/m3、770kg/m3，含水率為11%，靜曲強(qiáng)度24.18MPa，彈性模量4600MPa，山東新港企業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的高密度刨花板。

2.1.2 OSB：厚度27mm，密度為640kg/m3，含水率為11%，靜曲強(qiáng)度24.35MPa，彈性模量5000MPa，俄羅斯進(jìn)口OSB/3型。

2.1.3 膠合板：厚度27mm，密度為635kg/m3，含水率為11%，靜曲強(qiáng)度34.28MPa，彈性模量5560MPa，山東新港企業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的膠合板。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)檢測(cè)方法。本試驗(yàn)研究參考澳洲/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS2269.1-2012的雙軌剪切測(cè)試方法，以此確定本實(shí)驗(yàn)用腹板橫截面剪切性能的測(cè)試方法（圖2）。

圖2 腹板材料雙軌剪切測(cè)試方法

2.2.2 試件的規(guī)格和數(shù)量。

試件規(guī)格：85mm×200mm×27mm。

數(shù)量：每種腹板材料各5件，共25件。

2.2.3 試驗(yàn)設(shè)備。20噸的萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，精度10N；根據(jù)澳洲/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS2269.1-2012制作的雙軌剪切夾具；空氣對(duì)流干燥箱；電子天平，精度0.01g；游標(biāo)卡尺，0.1mm。

2.2.4 試驗(yàn)操作方法。將1220×2440mm幅面的腹板材料在不同位置上鋸200×85mm的小試件；在試件上打出對(duì)稱分布的8個(gè)直徑為10mm的孔；將試件用螺栓固定在夾具上；開(kāi)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，加載速度為1mm/min；每個(gè)試件每隔1KN記錄其應(yīng)變值，最后記錄試件破壞前試驗(yàn)機(jī)上的最大載荷及最大載荷時(shí)的位移；收集并導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 三種腹板材料橫截面剪切破壞形式

膠合板的破壞形式沿著剪切面發(fā)生剪切破壞，板表面發(fā)生微微褶皺，板端頭部位有上下錯(cuò)動(dòng)的破壞。OSB破壞形式沿著剪切面發(fā)生剪切破壞，板的表面區(qū)域內(nèi)隆起發(fā)鼓狀，端頭部位有上下錯(cuò)動(dòng)的破壞。普通刨花板的破壞形式沿著剪切面發(fā)生剪切破壞，板表面發(fā)生撕裂，裂紋貫穿上下板面，端頭部位有上下錯(cuò)動(dòng)的破壞形式。

3.2 三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線分析

圖3所示為三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線圖，從中可以看出，三種腹板材料的破壞曲線的趨勢(shì)基本一致，曲線可分為四個(gè)階段，OA段為試驗(yàn)機(jī)測(cè)試調(diào)整階段；AB段為腹板材料橫截面剪切彈性變形階段；BC為腹板材料橫截面剪切彈塑性變形階段，在C點(diǎn)達(dá)到最大載荷，此時(shí)的腹板試件已經(jīng)發(fā)生剪切破壞；CD段為腹板材料橫截面剪切破壞階段，此時(shí)腹板材料抗剪能力迅速下降直至試件完全失效。

圖3 腹板材料雙軌剪切破壞曲線對(duì)比圖

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出，膠合板承受的最大破壞載荷大于OSB，也大于普通刨花板。由于膠合板是一組單板按相鄰層纖維方向相互垂直膠合而成，相對(duì)于OSB來(lái)說(shuō)，膠合板的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，橫縱方向的性質(zhì)差異較小，具有很好的抗剪能力。

3.3 三種腹板材料橫截面抗剪強(qiáng)度的計(jì)算

每個(gè)測(cè)試件的抗剪強(qiáng)度（PS）按照下面的公式計(jì)算：

式中：PS=抗剪強(qiáng)度（MPa）

Pmax=破壞載荷（N）

L=測(cè)試件的長(zhǎng)度（mm）

t=測(cè)試件的厚度（mm）

當(dāng)三種腹板材料的密度相同時(shí)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，三種腹板材料的破壞載荷Pmax值，有公式（1）計(jì)算出腹板橫截面抗剪強(qiáng)度值如表1所示。

表1 三種腹板抗剪強(qiáng)度計(jì)算值

由上表1可知：當(dāng)三種腹板材料密度相同時(shí)，橫截面抗剪強(qiáng)度PS值的順序依次為：膠合板＞OSB＞刨花板。當(dāng)密度為640kg/m3時(shí)，膠合板和OSB的抗剪強(qiáng)度PS值大于澳洲/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS6669-2016規(guī)定值（PS=6.0MPa），刨花板的抗剪強(qiáng)度值要小于澳洲/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS6669-2016規(guī)定值。

3.4 腹板密度對(duì)刨花板橫截面抗剪性能的影響

由表2和圖4可知：當(dāng)腹板厚度一定時(shí)，刨花板的抗剪強(qiáng)度隨著密度的增大而增大，并且成正比增大。在腹板厚度一定時(shí)，密度越大，刨花被壓實(shí)的越緊密，板內(nèi)部空隙就越小，因此腹板的彈性模量、靜曲強(qiáng)度及內(nèi)膠合強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增加，所以腹板的抗剪強(qiáng)度也會(huì)增大。

表2 厚度一定時(shí)，刨花板密度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 刨花板密度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線的趨勢(shì)基本一致，膠合板承受的最大破壞載荷大于OSB和普通刨花板；三種腹板破壞形式為沿著剪切面發(fā)生剪切破壞，端頭部位有上下錯(cuò)動(dòng)，膠合板表面發(fā)生微微褶皺，OSB板表面區(qū)域內(nèi)隆起發(fā)鼓狀，刨花板表面發(fā)生撕裂，裂紋貫穿上下板面；當(dāng)密度一定時(shí)（密度為640kg/m3），三種腹板抗剪強(qiáng)度大小順序?yàn)椋耗z合板（8.4MPa）＞OSB（7.4MPa）＞刨花板（5.7MPa）；當(dāng)腹板厚度一定時(shí)，刨花板的抗剪強(qiáng)度隨著密度的增大而增大，并且成正比增大。

建議我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范增補(bǔ)對(duì)腹板的橫截面抗剪性能要求及其檢測(cè)方法。