LVL工字梁的設(shè)計(jì)制造及其力學(xué)性能檢測(cè)與應(yīng)用

梁星宇， 宋利明， 何宇航， 謝文博， 王 軍， 楊小軍， 王 正*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.江蘇金迪木業(yè)股份有限公司，江蘇 泗陽 223700)

單板層積材(LVL)作為一種具有突出優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值較高的工程結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和可靠度成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1，2]。工程結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能指標(biāo)是決定其抵抗破壞或失效能力的最重要因素。LVL是由小徑級(jí)原木制成的結(jié)構(gòu)膠合板，即將原木旋切成單板，經(jīng)過干燥，順紋組坯，貼面和膠合而成[3-5]。相較于其他鋸材，LVL的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其強(qiáng)度和剛度力學(xué)性能高，耐候性強(qiáng)和尺寸穩(wěn)定性好等方面，廣泛應(yīng)用于過梁、桁架、工字梁、墻托架、木門、腳手架、橫擔(dān)木、人字梁和梯子、預(yù)制房屋、活動(dòng)房屋、卡車車廂板、集裝箱底板等諸多領(lǐng)域。木工字梁可作為建筑結(jié)構(gòu)使用，又被稱之為木工字格柵，是利用規(guī)格材或結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料如LVL等作翼緣，木基結(jié)構(gòu)板如定向刨花板(OSB)等作為腹板，并用結(jié)構(gòu)型膠粘劑如異氰酸酯膠(PMDI)等粘接的一種建筑結(jié)構(gòu)材料。2019年，李軍偉的研究表明了與實(shí)木梁相比，木結(jié)構(gòu)工字梁具有更高的強(qiáng)度，剛度和尺寸穩(wěn)定性，具有更大的跨度能力以及更小的翹曲，扭曲和劈裂的發(fā)生幾率，具有更低的伸縮率的力學(xué)性能[6]。木結(jié)構(gòu)工字梁具有剛度高，重量輕和不易變形的特點(diǎn)[7，8]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)LVL工字梁的研究較少，特別是具體的設(shè)計(jì)制造方面較為空白；而國(guó)外更多地聚焦在工字梁的開孔性能以及建模預(yù)測(cè)上[9]。LVL工字梁是以單板層積材作為翼緣，具有優(yōu)秀的連續(xù)性和穩(wěn)定性，可根據(jù)具體實(shí)際的長(zhǎng)度要求進(jìn)行生產(chǎn)，能做到小才大用，劣材優(yōu)用，極大地節(jié)省國(guó)內(nèi)木材資源。

為了提高國(guó)產(chǎn)LVL產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值水平，本文對(duì)經(jīng)用動(dòng)態(tài)彈性模量質(zhì)量分等后A、B等級(jí)的LVL板材分別制成的LVL木結(jié)構(gòu)工字梁部件開展相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，以期為提升木結(jié)構(gòu)建筑工程中國(guó)產(chǎn)LVL產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 LVL木結(jié)構(gòu)工字梁的設(shè)計(jì)與制造

本木結(jié)構(gòu)工字梁的翼緣材料為L(zhǎng)VL，其平均含水量為13%，平均氣干密度為549 kg/m3，LVL試件A和LVL試件B的平均彈性模量分別為13.16 GPa和11.09 GPa，平均剪切模量分別為838 MPa和770 MPa；腹板材料為OSB，其平均含水量為9%，平均氣干密度為610 kg/m3，平均彈性模量為6 322 MPa，平均剪切模量為1 312 MPa。

1.1 LVL工字梁的設(shè)計(jì)

依據(jù)GB/T 28985-2012《建筑結(jié)構(gòu)用木工字梁》[10]，本工字梁截面尺寸為60 mm×240 mm，如圖1所示。其中，翼緣材料為L(zhǎng)VL的厚度和寬度分別為30 mm和60 mm；腹板選用OSB，其厚度為12 mm。

圖1 工字梁截面尺寸

1.2 LVL工字梁的制造工藝

工字梁翼緣采用經(jīng)動(dòng)態(tài)法檢測(cè)與質(zhì)量分等的A、B等級(jí)的LVL板材。其工字梁的制造工藝有八道工序，即：LVL整板的翼緣抽條，翼緣開槽，腹板OSB鋸切，腹板OSB打磨，翼緣槽口涂膠，翼緣腹板組裝，整板壓制和養(yǎng)生。其中，翼緣抽條工序是將經(jīng)過質(zhì)量分選的LVL板材放置在抽條機(jī)上，經(jīng)設(shè)置抽條寬度尺寸參數(shù)為60 mm后，再將LVL板材抽條成等寬為60 mm板條形成未開槽翼緣件。翼緣開槽工序采用數(shù)控機(jī)床加工。通過將抽條過后的LVL翼緣放置在CNC上固定，確保整個(gè)試件與刀具鋸路平行；再由程序控制開槽，其槽口深度為12 mm，翼緣開槽如圖2所示。

圖2 翼緣開槽

整板壓制工序是將開槽后的翼緣與鋸切后的OSB腹板進(jìn)行組裝。先將主要成分為異氰酸酯的ICEMA R645/30膠水均勻涂抹在翼緣槽口內(nèi)，再將腹板安裝在上下翼緣板之間；然后將整個(gè)組裝好的工字梁依次放置在壓機(jī)上進(jìn)行壓制，其壓力為7 MPa，壓制時(shí)間為4 h，LVL工字梁壓制如圖3所示。養(yǎng)生工序是將工字梁碼放在室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境中，經(jīng)過15天的養(yǎng)生處理，以保證工字梁的尺寸穩(wěn)定性。

圖3 LVL工字梁壓制

2 LVL工字梁的抗壓承載力測(cè)定

2.1 材料與設(shè)備

(1)抗壓承載力試件。規(guī)格為305 mm×240 mm×60 mm的A等級(jí)和B等級(jí)的LVL工字梁各9根，共18根。

(2)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)1臺(tái)，其最大荷載為1 000 kN，精度為10 N；鋼卷尺1把，其量程為0～5 m，精度為1 mm；游標(biāo)卡尺1把，其量程為0～125 mm，精度為0.1 mm；秒表1把。

2.2 測(cè)定方法與原理

本試驗(yàn)依據(jù)GB/T28985-2012《建筑結(jié)構(gòu)用木工字梁》。其檢測(cè)原理為：通過均布荷載使試件產(chǎn)生破壞，確定試件的承壓能力，包括翼緣的抗壓能力和腹板的抗屈曲能力，抗壓承載力測(cè)定示意圖如圖4所示。

圖4 抗壓承載力測(cè)定示意圖

其主要測(cè)試步驟為：首先將試件放置在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，支承墊塊和加載墊塊的長(zhǎng)度應(yīng)大于試件上、下翼緣尺寸，抗壓承載力測(cè)試如圖5所示。然后，選擇合適的加載速度，勻速加載；試樣破壞時(shí)間應(yīng)大于1 min小于10 min，并記錄試件的最大荷載和破壞模式。

圖5 抗壓承載力測(cè)試

2.3 結(jié)果與分析

抗壓承載力試件力—形變曲線如圖6所示，當(dāng)加載到最大荷載時(shí)，工字梁腹板(OSB)首先發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，即其腹板發(fā)生外鼓屈曲；然后工字梁整體性遭到破壞，且試驗(yàn)結(jié)束，并由此得到工字梁的抗壓承載力，抗壓承載力見表1。

圖6 抗壓承載力試件力—形變曲線

表1 抗壓承載力

由表1可知，采用A等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁平均抗壓承載力大于采用B等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁。其中A等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁最大抗壓承載力為102.62 kN/m，最小值為82.95 kN/m；B等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁最大抗壓承載力為94.33 kN/m，最小值為82.07 kN/m。在腹板OSB采用相同條件下，A等級(jí)翼緣的抗壓能力強(qiáng)于B等級(jí)翼緣，使得整體試驗(yàn)結(jié)果較優(yōu)異。

3 LVL工字梁的抗剪承載力測(cè)定

為了確定試件的腹板-翼緣膠合性能、腹板性能，本研究通過單點(diǎn)加載方式進(jìn)行剪切破壞試驗(yàn)。

3.1 材料與儀器

抗剪承載力試件：A等級(jí)和B等級(jí)的LVL工字梁尺寸規(guī)格為1 500 mm×240 mm×60 mm，各2根，共4根。測(cè)試儀器同2.1。

3.2 測(cè)定方法與原理

每個(gè)等級(jí)測(cè)試2個(gè)工字梁試件?？辜舫休d力測(cè)試示意圖如圖7所示，按圖所示調(diào)整兩支承墊塊中心跨距，支承墊塊與加載墊塊內(nèi)側(cè)之間距離應(yīng)大于或等于樣本公稱高度的1.5倍；保證試件兩側(cè)端頭超出支承墊塊的長(zhǎng)度不大于6 mm。

圖7 抗剪承載力測(cè)試示意圖

圖8 抗剪承載力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

本試驗(yàn)的加載位置在試件長(zhǎng)度方向的中點(diǎn)。其支承墊塊和加載墊塊的長(zhǎng)度分別為100 mm和200 mm，寬度均大于試件的寬度；如果測(cè)試腹板有端接的情況時(shí)，端接處與支承墊塊的間距應(yīng)為305 mm；選擇合適的加載速度，勻速加載；試樣破壞時(shí)間應(yīng)大于1 min，小于10 min，并記錄試件的最大破壞荷載[9]。

試件的抗剪承載力V按式(1)計(jì)算，精確至 0.01 kN。

(1)

式中：V為單個(gè)試件的抗剪承載力，kN；P為最大破壞荷載，kN。

3.3 結(jié)果與分析

工字梁抗剪承載力—位移曲線如圖9所示，測(cè)定開始持續(xù)加載到膠接處開裂，此時(shí)工字梁還能保持整體性，繼續(xù)加載，其撓度增加，直至腹板—翼緣處完全斷裂，結(jié)構(gòu)完全失效，其測(cè)定結(jié)束。

圖9 工字梁抗剪承載力—位移曲線

工字梁抗剪承載力見表2，對(duì)于最大破壞荷載和抗剪承載力，A等級(jí)木工字梁均優(yōu)于B等級(jí)木工字梁。其中編號(hào)為A1的木工字梁最大抗剪承載力為12.64 kN；編號(hào)為B1的木工字梁抗剪承載力最小，為11.29 kN。

表2 工字梁抗剪承載力

4 結(jié)論

本文通過經(jīng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)與質(zhì)量分等的同批次A、B等級(jí)的意楊LVL作為翼緣設(shè)計(jì)并制造的同規(guī)格的工字梁，其試件A和試件B的平均彈性模量分別為13.16 GPa和11.09 GPa，平均剪切模量分別為838 MPa和770 MPa。并對(duì)其工字梁試件開展了抗壓承載力和抗剪承載力的性能測(cè)定。其結(jié)論表明，采用A和B等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁平均抗壓承載力分別為92.61 kN/m和90.66 kN/m，均符合要求。其中，A等級(jí)工字梁比B等級(jí)工字梁的平均抗壓承載力高2.1%；采用A等級(jí)和B等級(jí)LVL翼緣制造的工字梁平均抗剪承載力分別為12.18 kN和11.80 kN，即A等級(jí)工字梁比B等級(jí)工字梁的平均抗壓承載力高3.2%，且均符合要求。本研究有利于提高LVL結(jié)構(gòu)材料的工程應(yīng)用價(jià)值。