輕型木桁架齒板連接件的動態(tài)彈性模量測試研究

梁星宇， 宋利明， 高德偉， 周宇昊， 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.江蘇金迪木業(yè)股份有限公司，江蘇 泗陽 223700；3.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著建筑行業(yè)對木材及以木材為原料派生的各類木質(zhì)復(fù)合材料的重視，輕型木結(jié)構(gòu)建筑體系在許多國家盛行。單在北美地區(qū)，約有85%的多層住宅和95%底層住宅采用輕型木結(jié)構(gòu)體系[1]。輕型木結(jié)構(gòu)是利用均勻密布的規(guī)格材來承受房屋各種平面和空間作用的受力體系，其由木構(gòu)架墻，木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成，適用于3層及3層以下的民用建筑[2]。由木構(gòu)件組成的桁架，是木屋蓋、木橋及木塔架的主要承重結(jié)構(gòu)，用于木屋蓋時通稱為木屋架[3]。木桁架設(shè)計中最重要的一環(huán)便是節(jié)點設(shè)計。目前，木桁架節(jié)點連接方式有齒連接、釘連接、螺栓連接、齒板連接等[4]。其中齒板連接件具有較高的剛度和承載能力，被廣泛用于由規(guī)格材制成的輕型木桁架節(jié)點連接或木構(gòu)件的接長與接厚[5]。近年來，國內(nèi)外研究者在木桁架齒板連接性能的相關(guān)研究方面取得了不少成果。2004年，Rakesh Gupta等探究了在風(fēng)載荷和沖擊載荷作用下采用齒板連接的木桁架節(jié)點處的性能，發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載和沖擊荷載使結(jié)構(gòu)整體的剛度提高了約3倍，而對結(jié)構(gòu)的強度和極限撓度則沒有顯著影響，研究者指出剛度的變化是由板齒附近木材的致密化引起的[6]。2007年，Ergun研究了紅松采用不同齒板連接后制成的木桁架在節(jié)點處的承載能力，研究結(jié)果表明齒板的尺寸和齒的方向均對節(jié)點的承載能力有影響；節(jié)點處的承載能力與木材的彈性模量沒有顯著關(guān)系[7]。2012年，葉虹等通過對國產(chǎn)落葉松連接節(jié)點進行拉伸試驗，探究了將國產(chǎn)材用于木桁架生產(chǎn)的可能性，并對齒板剛度和承載能力進行研究，提出了去除連接處板齒和加長邊緣齒長等提高齒板節(jié)點性能的方案[8]。2016年，Villar等通過遺傳算法對使用銷釘和金屬板連接的重型木桁架構(gòu)件和節(jié)點進行優(yōu)化，提出的模型結(jié)合了不同的變量，可以估算出在一定條件下桁架的最佳幾何形狀，橫截面尺寸以及所需的連接件數(shù)量[9]。同年，丁星等研究了木節(jié)對受純剪、拉剪、壓剪3類試件的齒板連接延性比的影響。相關(guān)結(jié)果表明木節(jié)對這3類試件的延性比均值影響不大，在實際工程中，規(guī)格材的連接區(qū)域允許有一定尺寸的木節(jié)存在[10]。2017年，Liu等對采用齒板連接的木桁架腹桿的橫向支撐可靠性進行了探究，相關(guān)結(jié)果表明：當(dāng)相鄰腹桿間的縫隙小于2 mm時，縫隙對齒板連接后結(jié)構(gòu)平面外旋轉(zhuǎn)剛度的影響可忽略不計[11]。2020年，Monzerrath等研究了由石梓木、柚木、墨西哥柏木用齒板連接后制成的不同跨度桁架的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明桁架的承載極限值隨跨度的增加而減小，且相比石梓木和墨西哥柏木，柚木制成的桁架具有更高的強度和剛度[12]。

由上述研究可知，剛度性能是采用齒板連接木桁架性能研究中的重點。對于木桁架的下弦桿，剛度研究有助于確保屋蓋樓蓋剛度可靠性及其房屋的整體壽命。鑒于此，本研究運用動力學(xué)理論，通過瞬態(tài)激勵法，測量SPF鋸材制成的單桿和經(jīng)齒板連接后得到的組合桿在自由梁約束條件下的基頻值，并算得其基頻的動彈性模量值。有助于為我國鋸材、規(guī)格材領(lǐng)域內(nèi)的無損檢測工作提供有效借鑒。此外，通過對木桁架的檢測和評估，系統(tǒng)總結(jié)出一套木桁架動彈性模量的評估方法，具有迫切的現(xiàn)實意義。我國在這方面的研究和實踐投入較少，在這方面的基礎(chǔ)研究工作非常薄弱，生產(chǎn)、設(shè)計和制造技術(shù)都處在發(fā)展的初步階段，與國外仍有一定的差距，所以開展對木桁架動彈性模量研究，有利于發(fā)展我國的木桁架，有利于我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計研究。

1 輕型木桁架系統(tǒng)動彈性模量測試

1.1 測試對象與儀器

1.1.1 測試對象

本研究測試了用于輕型木桁架下弦桿的單桿和組合桿，其材料為SPF(云杉-冷杉-松)。SPF盛產(chǎn)于加拿大的軟木林，該樹種組合因其直度、強度重量比、可加工性、價值及可用性，成為建筑業(yè)最為廣泛采用的樹種組合。單桿尺寸為3 600 mm(L)×90 mm(b)×40 mm(h)，含水率為7%～8%，氣干密度為0.42～0.48 g/cm3。組合桿由兩根單桿通過齒板連接組合而成，如圖1所示。具體組合方式為：1號和2號桿組合，記為13號桿；3號和4號桿組合，記為14號桿；5號和6號桿組合，記為15號桿；7號和8號桿組合，記為16號桿；9號和10號桿組合，記為17號桿；11號和12號桿組合，記為18號桿。本研究采用齒板連接件由鍍鋅鋼板經(jīng)單向打齒制成，尺寸為150 mm×80 mm×5 mm，重量為210 g。單桿和組合桿的具體規(guī)格如表1所示。

圖1 單桿組合示意圖

表1 測試桿件規(guī)格表

1.1.2 測試儀器與工具

CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)1套，主要包括激振器；AZ804-B型信號調(diào)理儀；AZ308型信號采集箱；CRAS軟件及計算機；CA-YD-126型加速度計2只，其靈敏度因子為49.7 pc/n；橡膠錘1把；彈性繩。

1.2 測試原理

本研究采用機械動力學(xué)的瞬態(tài)激勵法，其頻響函數(shù)為輸出的傅里葉變換與輸入的傅里葉變換之比。具體的動彈性模量測試方法是：以力錘敲擊設(shè)置有加速度計的木桁架桿件；把加速度計檢測的桿件反應(yīng)加速度G送入信號調(diào)理箱經(jīng)放大、濾波后輸出，再送入信號采集箱內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集；經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)處理。

首先，實現(xiàn)輕型木結(jié)構(gòu)桁架桿件測試系統(tǒng)的動態(tài)信號調(diào)理箱和采集箱上的單通道或雙通道(CH1、CH2均為加速度計通道)的測量連接。通過加速度計接受機械信號并將其變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)信號調(diào)理儀放大、濾波后，對其進行信號的A/D集及譜分析，從H1頻譜中可以得出桿件的階次頻響函數(shù)譜。

在自由梁的約束條件下，通過橫向與豎向振動法測得試樣的一階固有頻率。根據(jù)理論公式(1)計算出桿件動彈性模量的值[13]：

(1)

式中：E為試樣動態(tài)彈性模量，Pa；ρ為氣干密度，g/cm3；f1為第一階固有頻率，Hz；L為試樣長度，mm；h為試樣厚度，mm。

1.3 測試過程

按圖2～圖5連接各儀器和桿件。測試時試樣分為橫置(L×b×h)和縱置(L×h×b)兩種放置方式。測試單桿時，將1只加速度傳感器牢固安裝在桿件上，接受響應(yīng)信號(CH1)。在振動信號的采集參數(shù)設(shè)置上，采用H1或1/H1模式；CH1單位設(shè)為mm/s2。測試用齒板連接的組合桿時，將2只加速度傳感器分別牢固的安裝在桿件上，接受響應(yīng)信號(CH1)和(CH2)。在振動信號的采集參數(shù)設(shè)置上，采用H1或1/H1模式；CH1和CH2單位都設(shè)為mm/s2；負觸發(fā)為1的觸發(fā)電平為5%，且觸發(fā)延遲為-20；信號放大倍數(shù)為100；分析頻率為1 000 Hz。為防止頻率混迭，試驗選擇低通濾波器的頻率上限，濾波頻率設(shè)為1 000 Hz；實測前，進入示波方式，連續(xù)敲擊桿件，以檢查儀器連接線是否接通，波形是否合理等，不合理時將重新設(shè)置；正式測量時，通過用帶塑料頭的力錘敲擊桿，激起柱體系統(tǒng)振動，以觸發(fā)方式采集數(shù)據(jù)，進行動態(tài)信號頻譜分析，并在和H1頻譜中讀出桿的第1階、第2階固有頻率值。

圖2 單桿橫置測試系統(tǒng)示意圖

圖3 單桿縱置測試系統(tǒng)示意圖

圖4 組合桿橫置測試系統(tǒng)示意圖

圖5 組合桿縱置測試系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 單桿測試結(jié)果

通過瞬態(tài)激勵法分別對橫置和縱置的12根單桿進行測試，得到一階頻率圖譜如圖6和圖7所示。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，對每根下弦桿進行了多次測試，取其中頻譜顯示較好的一組數(shù)據(jù)。12根單桿測試結(jié)果見表2。

表2 單根下弦桿測試結(jié)果表

圖6 4號桿橫置一階頻譜圖

圖7 1號桿縱置一階頻譜圖

由表2可知單桿橫向放置時測得的一階固有頻率平均值為13.98 Hz，縱向放置時測得的一階固有頻率平均值為32.35 Hz；縱向放置時測得的一階固有頻率平均值約為橫向放置時的2.3倍。單根下弦桿橫向放置時測得的動彈性模量平均值為10.94 GPa；縱向放置時測得的動彈性模量平均值為10.82 GPa；兩種放置方式測得的動態(tài)彈性模量平均值均在10.9 GPa左右，但橫向放置測得的動態(tài)彈性模量平均值比縱向放置時測得的值大1.1%；橫向和縱向放置時測得的動態(tài)彈性模量值的變異系數(shù)分別為12.5%、13.3%，均小于15%，說明試驗數(shù)據(jù)可靠。

2.2 組合桿測試結(jié)果

將12根單桿通過齒板連接件進行組合后，分別對橫置和縱置的6根組合桿進行測試，得到一階頻率圖譜如圖8和圖9所示。6根組合桿測試結(jié)果見表3。

表3 組合桿測試結(jié)果表

圖8 1+2號組合桿橫置一階頻譜圖

圖9 3+4號組合桿縱置一階頻譜圖

由表3可知組合桿橫向放置時測得的一階固有頻率平均值為3.37 Hz，縱向放置時測得的一階固有頻率平均值為7.84 Hz；縱向放置時測得的一階固有頻率平均值值約為橫向放置時的2.3倍。組合桿橫向放置時測得的動彈性模量平均值為10.34 GPa；縱向放置時測得的動彈性模量平均值為10.24 GPa；兩種放置方式測得的動態(tài)彈性模量平均值均在10.3 GPa左右，但橫向放置測得的動態(tài)彈性模量平均值比縱向放置時測得的值大1.0%；橫向和縱向放置時測得的動態(tài)彈性模量值的變異系數(shù)分別為10.5%、8.1%，均小于15%，說明試驗數(shù)據(jù)可靠。

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 放置方式對桿動彈性模量的影響

由表2將各單桿按兩種不同放置方式測得的動態(tài)彈性模量數(shù)值進行對比，得到如圖9所示的對比圖。由表3將各組合桿按兩種不同放置方式測得的動態(tài)彈性模量數(shù)值進行對比，得到如圖10所示的對比圖。

圖9 單桿橫置和縱置動彈性模量對比圖

圖10 組合桿橫置和縱置動彈性模量對比圖

由圖9和圖10得知，本研究中各單根和組合桿按兩種不同放置方式測得的動態(tài)彈性模量值基本吻合，即不同放置方式對本研究所采用的動力學(xué)測試方法得到的動彈性模量值影響不大。

2.3.2 齒板連接件對桿動彈性模量的影響

綜合表2和表3可知桿組合前后動態(tài)彈性模量的變化，如表4所示。桿組合前后橫置和縱置時測得的動彈性模量值對比如圖11和圖12所示。

表4 桿組合前后動彈性模量對照表

圖11 橫置桿組合前后動彈性模量對比圖

圖12 縱置桿組合前后動彈性模量對比圖

由表4可知，兩桿組合前的動彈性模量平均值約為10.9 GPa，經(jīng)齒板連接件組合后的動彈性模量平均值約為10.3 GPa；組合后桿動彈性模量值下降了約5.5%，可見齒板連接降低了結(jié)構(gòu)整體的剛度。結(jié)合表4、圖11和圖12可知，每組桿的動彈性模量值在組合后都有不同程度的降低，進一步驗證了齒板連接對結(jié)構(gòu)剛度的作用。在實際使用中設(shè)計人員和工程師應(yīng)考慮到這種變化，以提供可靠的結(jié)構(gòu)剛度。

3 主要結(jié)論

(1)本研究中對用于輕型木結(jié)構(gòu)木桁架下弦桿的單桿，橫向放置測得的動態(tài)彈性模量平均值比縱向放置測得的值大1.1%；對經(jīng)齒板連接后的組合桿，橫向放置測得的動態(tài)彈性模量平均值比縱向放置測得的值大1.0%。對于本研究所采用的動態(tài)測試方法，桿件橫向放置和縱向放置測得的動態(tài)彈性模量值基本一致，即不同放置方式動彈性模量的測量影響不大。

(2)本研究中兩根單桿在組合前的動彈性模量平均值約為10.9 GPa，經(jīng)齒板連接件組合后的動彈性模量平均值約為10.3 GPa，下降了5.5%，即齒板連接降低了結(jié)構(gòu)整體的剛度，在工程實際中要考慮到這一變化，提高結(jié)構(gòu)剛度的理論設(shè)計值。

(3)研究所使用的試驗操作快捷簡單，測試所得動彈性模量值的變異系數(shù)均滿足要求。說明本試驗所采用的機械動力學(xué)測試方法及相關(guān)測試儀器，具有操作簡便、工程應(yīng)用性強、數(shù)據(jù)可靠性高等特點。