古代井鹽架中空組合木柱預(yù)應(yīng)力研究

付 磊， 李 輝， 張應(yīng)遷， 劉貞乾， 曾凡英， 付 伶， 侯 虹， 王 波

(1. 四川輕化工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川 自貢 643000； 2.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610065；3.四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院； 四川 自貢 643000； 4.四川遠(yuǎn)建建筑工程設(shè)計有限公司， 四川 自貢 643000；5.四川輕化工大學(xué) 中國鹽文化研究中心， 四川 自貢 643000； 6.自貢市鹽業(yè)歷史博物館， 四川 自貢 643000)

0 引 言

井鹽架，也稱其為“天車”，是中國古代用于開鑿小口深井、修治井以及提取鹵水的支架[1].過去，工人們在制作天車時，通常將幾百根杉木分別捆成木樁，用竹篾繩索扎固，并將利用松木楔子來楔緊木柱與竹篾繩索之間的縫隙，利用竹篾繩索產(chǎn)生的張緊力將木柱箍緊成一個整體，然后將捆扎好的木樁豎于鹽井的井口，其外形結(jié)構(gòu)[2-3]如圖1所示.

圖1天車結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，天車架主斜柱及支斜柱，均系采用數(shù)根或多根衫木(現(xiàn)存天車架中主斜梁杉木最多根數(shù)為16根)圍合而成的中空外圓的空心組合木柱.由于這種中空外圓的組合木結(jié)構(gòu)僅用人力是難以用竹篾繩或鋼絲繩箍緊，從而無法保證天車架的強度、剛度和穩(wěn)定性[4]，在施工中，工人常采用在杉木與杉木之間及杉木與竹篾繩或鋼絲繩之間間隙中打入松木楔子的辦法，使竹篾繩或鋼絲繩中產(chǎn)生橫向預(yù)加應(yīng)力，將空心組合木柱中的杉木箍緊.這種通過松木楔子箍緊產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力使其能夠承受較大的外荷載作用.中空外圓組合木結(jié)構(gòu)CAD圖如圖2所示.

圖2中空外圓木結(jié)構(gòu)CAD圖

從圖2可見，這種特殊的空心木結(jié)構(gòu)形式既節(jié)省材料又減輕了整個天車的重量，也同時有利于內(nèi)部通風(fēng)防止衫木腐爛[5].然而，迄今為止，國內(nèi)外對這種中空外圓的預(yù)應(yīng)力木結(jié)構(gòu)的研究鮮有報道.鑒于此，本研究利用現(xiàn)代力學(xué)的檢測手段來測試圖3所示中捆扎空心組合木樁鋼絲繩(代替竹篾繩索)的捆扎力以及預(yù)應(yīng)力，并提出改進(jìn)空心組合木柱捆扎工藝的措施.

1 實驗方案

1.1 材 料

在實驗中，制作空心組合木柱所選用的杉木強度等級為TC13B，材質(zhì)等級為IIc，杉木含水量控制在5%以內(nèi)，杉木應(yīng)無蟲蛀、腐蝕以及裂縫等缺陷.測試應(yīng)變的鋼板材料選用Q235B，焊接鋼板，采用的焊條型號為E43.制作楔子所用的松木為TC13A馬尾松，材質(zhì)等為IIc，含水量控制在15%以內(nèi).箍扎衫木的鋼絲繩采用3×7股的規(guī)格，鋼絲繩直徑d為1.4～1.6 mm，鋼絲繩抗拉強度為1.4～2.0 MPa.測試應(yīng)變的電阻應(yīng)變片采用深圳品控科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的NMB電阻應(yīng)變片.

1.2 預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試樣制作

為使預(yù)應(yīng)力測試更接近實際，實驗所用空心組合木柱采用11根杉木制作而成，杉木外徑約為200 mm.箍扎空心組合木柱采用3×7股的鋼絲繩(鋼絲繩直徑d=1.4～1.6 mm)，將松木楔子楔緊空心組合木柱與鋼絲繩之間的縫隙，鋼絲繩產(chǎn)生的張緊力將木柱箍緊成一個整體，箍扎形成的空心組合木柱外徑約為900 mm.箍扎形成的空心組合木柱結(jié)構(gòu)實物圖形狀如圖3所示.

圖3空心組合木柱實驗試樣實物圖

實驗中，預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試件共制作3組，每根杉木的長度不小于2 m.每組空心組合木柱上用鋼絲繩箍扎三道，每道鋼絲繩間距為600 mm，每道鋼絲繩至少綁6圈，箍扎組合木柱的鋼絲繩兩端與貼應(yīng)變的鋼板連接.箍扎形成的預(yù)應(yīng)力空心組合木柱的結(jié)構(gòu)形狀尺寸如圖4所示.

1.3 應(yīng)變測試部件

實驗中，空心組合木柱預(yù)應(yīng)力測試部件主要由應(yīng)變測試鋼板、電阻應(yīng)變片以及應(yīng)變測試儀組成.應(yīng)變測試鋼板由Q235B鋼板下料，經(jīng)機械加工制作成尺寸為150 mm×80 mm×10 mm的測試試樣.試樣中部貼上電阻應(yīng)變片.最后，用導(dǎo)線將電阻應(yīng)變引腳線與電阻應(yīng)變儀連接.預(yù)應(yīng)力測試部件的實物圖以及結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖5所示.

圖4空心組合木柱實驗試樣結(jié)構(gòu)尺寸

圖5預(yù)應(yīng)力測試部件結(jié)構(gòu)圖

1.4 測試步驟與測試要求

1.4.1 測試步驟

測試中，預(yù)應(yīng)力測試共分3×3=9組，具體為：預(yù)應(yīng)力鋼絲繩捆綁好后，在打入楔子前測量電阻應(yīng)變片中應(yīng)變一次(共9組)；在打入楔子張緊鋼絲繩后對電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變再測量一次(共9組).然后，將應(yīng)變換算成應(yīng)力，前后兩次測量的應(yīng)力之差即為鋼絲繩中的預(yù)加應(yīng)力，也即為空心組合木柱的預(yù)應(yīng)力.應(yīng)變測量簡圖如圖6所示，詳細(xì)測試步驟如下：

1)各道鋼絲繩捆綁后均在未打入松木楔子時各測量一次應(yīng)變.

圖6應(yīng)變測量位置示意圖

2)僅A道繩與木柱空隙間打入松木楔子后，測量各道繩中的應(yīng)變一次.

3)在B道繩與木柱空隙間打入楔子后，測量各道繩中的應(yīng)變一次.

4)在C道繩與木柱空隙間打入楔子后，測量各道繩中的應(yīng)變一次.

5)檢查測量各道繩上楔子有無松動情況，若有松動應(yīng)進(jìn)行復(fù)打，復(fù)打后測量各道繩中的應(yīng)變一次.

1.4.2 測試要求

為了使測試結(jié)果能夠較好地模擬天車空心組合木柱實際捆扎的受力情況，本研究對實驗試件的制作、捆扎工藝以及實驗操作做出如下要求：

1)預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試件的制作，要求與實際天車架預(yù)應(yīng)力空心組合木柱制作要求一樣，試件長度應(yīng)大于2 m.

2)預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試件制作時，不要求木柱試件外形呈上小下大的圓錐形.同時，不嚴(yán)格要求與天車架環(huán)境完全一致.

3)在預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試件上打入松木楔子時會對試件產(chǎn)生一定的振動.因此，應(yīng)在試件與地面接觸處加上隔震墊，以免影響應(yīng)變的測試精度.

4)在預(yù)應(yīng)力空心組合木柱試件上打入楔子前，應(yīng)在組合木柱試件的地面墊上鋼板(直徑d≥1 200 mm)，以避免打入楔子所產(chǎn)生的振動造成整個試件間杉木的相互錯動.同時，設(shè)計支架固定組合木柱以保證試件穩(wěn)定.

2 實驗結(jié)果

2.1 實驗原始數(shù)據(jù)

按照確定的測試方法及要求，測量分3次進(jìn)行，每次測得3組數(shù)據(jù)，共9組應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別如表1、表2以及表3所示.

2.2 空心組合木柱預(yù)應(yīng)力計算

因?qū)嶒炰摪宓膽?yīng)變屬于彈性應(yīng)變，故根據(jù)彈性應(yīng)力應(yīng)變的計算公式[6]有，

σ=Eε

(1)

式中，σ為鋼板的拉應(yīng)力，MPa；E為鋼板的彈性模量，

表1 第1次實驗鋼板應(yīng)變數(shù)據(jù)(×10-6，με)

表2 第2次實驗鋼板應(yīng)變數(shù)據(jù)(×10-6，με)

表3 第3次實驗鋼板應(yīng)變數(shù)據(jù)(×10-6，με)

MPa；ε為電阻應(yīng)變片中測量的應(yīng)變.

結(jié)合表1、表2以及表3的實驗數(shù)據(jù)，即可求出各種加載情況下實驗鋼板的應(yīng)力值，結(jié)果見表4.

表4 各種加載情況下鋼板的應(yīng)力(單位：MPa)

結(jié)合表4的計算結(jié)果，根據(jù)公式(2)計算出三根鋼絲繩的拉力，由此可得到一根鋼絲繩的拉力，再由公式(3)計算出一根鋼絲繩的應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力值，計算結(jié)果見表5.

F=wtσ

(2)

式中，F(xiàn)為鋼板承受的預(yù)拉力，即鋼絲繩中的預(yù)拉力,N；w為鋼板寬度，mm；t為鋼板厚度，mm.

(3)

式中，F(xiàn)為單根鋼絲繩拉力,N；A為鋼絲繩的面積，mm2.

表5 各種加載情況下單根鋼絲繩的應(yīng)力與

同時，從表1、表2以及表3可見，實驗鋼板的最大應(yīng)變?yōu)?49×10-6，將其帶入式(2)，可計算出捆扎鋼繩所承受的最大拉力Fmax為123.44 kN.

3 結(jié) 論

本研究首次發(fā)現(xiàn)天車支撐木樁這種特殊的中空外圓的組合木結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力現(xiàn)象，并將其命名為預(yù)應(yīng)力空心組合木結(jié)構(gòu).同時，創(chuàng)造性地設(shè)計了實驗方案并成功測定了其受力性能.實驗結(jié)果顯示，這種特殊預(yù)應(yīng)力空心組合木結(jié)構(gòu)的捆扎力最大可達(dá)123.4352 kN，最大預(yù)應(yīng)力值為107.532 MPa.因此，其具有很好的受力性能.

基于對實驗過程以及結(jié)果的分析，本研究提出如下改進(jìn)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的措施，具體包括：采用柔性好的鋼絲繩捆扎以獲得較大的捆扎應(yīng)力；在捆扎過程中應(yīng)盡量保證空心組合木柱具有較好的圓柱度；加緊楔子時應(yīng)注意圓周方向以及軸向方向均勻錐緊，以免空心組合木柱沿外圓方向變形.