南方小杉木方膠合木柱力學性能試驗研究

陳 強，楊 凌，謝子洪，沈 搏，謝興華，包燕敏，李先民

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

木材的應用在中國已有四五千年的歷史，至今依然應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活的各個方面.木材具有重量輕、強重比高、彈性好、耐沖擊、紋理色調豐富美觀、加工容易等優(yōu)點，是一種良好的承重材料.但是木節(jié)、裂縫等缺陷會影響木材強度，木材大小又受到先天生長環(huán)境的影響，同時木材又易受腐蝕、被蟲蛀、且干燥易燃，因此限制了木結構的應用.膠合木結構是將厚度為20～45 mm、含水率低于18%的木板刨光后，經(jīng)膠層疊壓、膠合成各種形狀和截面尺寸的構件及其組合結構.膠合木作為木材應用的主要形式，它具有重量輕、紋路清晰、絕緣、強度大和不易變形的優(yōu)點，人們用層板膠合木可組成桁架、拱、框架、梁和柱等.目前，加拿大、美國均傾向于采用足尺試件進行測定來減少其他因素的影響，以獲得更加準確的力學參數(shù).文獻[1-3]對原木進行了一系列研究，并利用超聲波法來測量原木的力學性能，討論如何更好地對原木進行儲存.文獻[4-9]對木-混凝土等工程木結構進行研究，設計了一種高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結構，運用有限元分析方法，研究不同參數(shù)對該混合結構的力學性能、變形、動力特性等的影響.文獻[10]進行了竹-原木組合梁受彎試驗，表明竹-木組合結構能夠協(xié)同工作.文獻[11]對竹筋實木組合板小變形階段的受彎性能進行了試驗研究.文獻[12-16]對膠合木組合結構進行了探索，但僅研究了大型木板和木方組合的力學性能，對小型木方組合截面形式及力學性能尚未予以研究.

本文針對現(xiàn)有小型杉木方膠合木柱力學性能研究的不足，利用目前南方速生小杉樹加工成小木方膠合柱，對其受壓性能進行研究，為應用開發(fā)一種綠色建筑材料提供理論和試驗依據(jù).

1 膠合木柱試件制作與試驗

1.1 材料選用與尺寸

1)木材：選用南方小杉木方，參照 GB/T 1931-2009《木材含水率測量方法》[17]，測得該批膠合木的含水率為12%，寬×高為48 mm×45 mm，長度為150～500 mm.

2)膠合材料：白乳膠和固化劑，兩者以 1/20的質量比例混合，承重結構膠黏劑應保證其膠合強度不低于木材順紋抗剪和橫紋抗拉強度.

3)膠合木柱尺寸：3 根膠合木柱編號分別為B-1、B-2、B-3，長×寬為223 mm×223 mm，高為1 000 mm.

1.2 原木材料性能測試

為了獲得材料性能，參照 GB/T50329-2012《木結構試驗方法標準》[18]，對15 個規(guī)格為80 mm×80 mm×240 mm 杉木短柱試件進行試驗，測得小木方抗壓彈性模量為3 468.8 MPa、抗壓強度為25.46 MPa.

1.3 膠合木柱制作

1)挑選、拼接材料.挑選表面光滑平整無其他不良痕跡的木方，將木方切割成長短不等的木塊.將木塊拼接成木柱時，應注意不要將拼接點放在同一截面.

2)制作流程(見圖 1).

圖1 膠合木柱制作工藝流程

3)加工注意事項.挑選的木塊必須保證表面光滑沒有結點，無蟲蛀、腐朽、髓心；粘接時木塊之間要緊密粘接，木塊之間不能出現(xiàn)縫隙，為了避免這種情況發(fā)生，在粘接時可以適當給予規(guī)定的壓力使木塊之間緊密粘接；每粘接一層時由于膠涂抹不勻等原因可能導致木柱表面不平整，因此，每粘接一層就要將表面銼平，以保證其表面平順性.

1.4 試驗方案

1)試驗設備.采用5 000 kN 壓力試驗機進行抗壓試驗，選用XL2101C 程控靜態(tài)電阻應變儀采集應變數(shù)據(jù).為更好地測量木柱在豎向的應變，在木柱4 個側面1/2 處柱高處，每個面均勻貼4個應變片，共16 個，通過各側面的4 個應變片觀察木柱在豎向的應變狀況；另外，在木柱4 個側面的中心點處，分別放置百分表測量試件的橫向位移；試件的縱向位移從壓力機上讀取.應變片及百分表分布見圖2.

圖2 應變片及百分表分布

2)試驗過程.在正式試驗之前先進行預加載，檢查16 個應變片的受力情況，任意2 個應變片受力數(shù)據(jù)的差值在5%之內(nèi)，最后將16 個應變數(shù)據(jù)記錄在表格中.試驗中，液壓機的加載速率為0.3～0.5 kN/s，以每級荷載梯度為20 kN 進行加載，每完成一級加載需等待1 分鐘左右，使木柱傳力分布均勻.位移計穩(wěn)定后，記錄電阻應變儀上的應變數(shù)據(jù)和位移計上的數(shù)據(jù).

3)試驗注意事項.木柱表面不平整將導致木柱受力不均勻，造成剪力過大而將試件破壞，影響試驗的正常進行.因此，在進行試驗前，需對木柱上、下表面進行打磨處理，以保證其水平.另外，為保證木柱軸心受壓，木柱截面中心、壓力機球鉸中心及壓力機中線需保持在同一縱向軸線上.

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態(tài)

3 根膠合木柱軸心受壓破壞形態(tài)見圖 3.試驗過程中，木柱B-1 在加載至600 kN 能夠聽到細微響聲；加載至780 kN 時出現(xiàn)明顯的劈裂聲，木柱上部出現(xiàn)細微橫向和豎向裂縫；繼續(xù)加載至840～880 kN 時連續(xù)發(fā)出明顯的劈裂聲，且橫向裂縫繼續(xù)增大；加載至960～980 kN 時出現(xiàn)較大的響聲，橫向和縱向裂縫都繼續(xù)增大；加載至1 000 kN時位移突增，木柱中上出現(xiàn)較大裂縫，并發(fā)生材料破壞.木柱B-2加載至660 kN時出現(xiàn)橫向裂縫，加載至860～920 kN 時橫向裂縫持續(xù)增大；加載至1 010 kN 時聽到較大的劈裂聲，發(fā)生材料破壞.木柱B-3 加載至860 kN 時出現(xiàn)較大的橫向裂紋，加載至1 020 kN 時出現(xiàn)材料破壞.

2.2 極限承載力與應力應變

根據(jù)膠合木柱破壞試驗，可得3 根試件的抗壓極限承載力及對應的軸壓極限應力應變，結果見表1.其中，N peak 為試件軸壓極限承載力；σ 為試件軸壓極限應力； εpeak為試件軸壓極限應變.

表1 試件極限承載力與對應的軸壓極限應力應變

2.3 試件受壓荷載-應變關系

對3 根膠合木柱試件進行受壓試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理可得到荷載-應變關系曲線，如圖4 所示.由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在受壓的整個過程中3 根膠合木柱受壓應變變化趨勢相近，膠合木柱荷載-應變關系圖可分為3 個階段.

1)彈性階段.當壓應力小于極限應力 80%左右時，膠合木柱受壓變化規(guī)律符合胡克定律，處于彈性工作階段，即隨著壓應力的增大，木材本身內(nèi)部纖維的空隙逐步壓緊，管狀細胞發(fā)生微小變形，此時荷載-應變關系成線性關系；當壓應力達到峰值應力的80%時，伴隨有木柱內(nèi)部纖維擠壓的細小聲音.

2)彈塑性階段.當壓應力大于極限應力 80%左右時，曲線的斜率不斷變小，由線性關系變?yōu)榉蔷€性關系.此時木材壓縮變形幅度不斷增大，管狀細胞被逐步壓潰，內(nèi)部裂縫不斷延伸，開始聽到木材發(fā)生劈裂的響聲，并隨著壓力的增大聲音越來越大；當達到極限承載能力時，曲線斜率等于零，同時膠合木柱發(fā)生破壞并出現(xiàn)橫向和縱向裂縫.

3)塑性階段.當壓應力達到峰值后，膠合木柱強度并沒有完全消失，隨著變形的增加，應力開始不斷減小.膠合木柱B-1、B-2、B-3 的極限承載力相差不大，變化幅度均在 5%以內(nèi)；其受壓應變變化趨勢基本相同，極限承載力達到80%左右才出現(xiàn)明顯彈塑性，沒有明顯的破壞特征.

2.4 試件受壓荷載-位移關系

膠合木柱的荷載-橫向位移曲線和荷載-豎向位移關系曲線分別如圖5 和圖6 所示.

圖4 荷載-應變關系曲線

圖5 荷載-橫向位移關系曲線

圖6 荷載-豎向位移關系曲線

由圖5 可以看出，在剛加載時試件主要受到壓應力作用，處于彈性階段，橫向位移幾乎不發(fā)生變化；隨著壓力增大，開始發(fā)生彈性變形，橫向位移均勻變化但變化緩慢.進入彈塑性階段后，橫向位移明顯增大，當橫向位移達到 2～2.5 mm時，試件開始出現(xiàn)大幅度破壞，進入塑性階段.

由圖6 可以看出，膠合木柱在初始受壓時發(fā)生的豎向位移變形比較大，這是由于膠合木柱在試驗前預壓不足，木方膠接處存在空隙，加壓時發(fā)生壓縮變形等原因造成的.隨后豎向位移經(jīng)歷了3 個階段，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.不考慮預試驗前段的變形位移，彈性階段豎向位移基本上均勻增加；當加載到極限荷載的80%時，膠合木柱開始發(fā)生不同程度的橫向和縱向破壞；當豎向位移達到7.59 mm 左右時，若繼續(xù)加載，則豎向位移會突增.

2.5 承載能力穩(wěn)定系數(shù)

以3 根膠合杉木短柱軸壓試驗數(shù)據(jù)作為承載能力穩(wěn)定系數(shù)的計算依據(jù)，根據(jù) GB50005-2017《木結構設計標準》[19]，對相關參數(shù)進行計算.

其中，1φ 為試驗穩(wěn)定系數(shù)值；Npeak為試件的穩(wěn)定承載力試驗值；A 為試件受壓面積； fu為杉木短柱試件抗壓強度.

結合前文試驗所得杉木的強度，按式(2)和式(3)計算理論穩(wěn)定系數(shù)2φ ：

其中，λ 為試件長細比； fck為受壓構件材料的抗壓強度標準值(N/mm2)； Ek為構件材料的彈性模量標準值(N/mm2)；a c ，bc為材料相關系數(shù)；β 為材料剪切變形相關系數(shù).

軸心受壓構件理論穩(wěn)定承載力N0按

計算.實際穩(wěn)定系數(shù)與理論穩(wěn)定系數(shù)之差所占理論穩(wěn)定系數(shù)的百分比 Δ1，實際承載力與理論承載力之差所占理論承載力的百分比 Δ2，按

計算.其中，φ1, φ2, N0, Δ1,Δ2計算結果見表2.

表2 試件受壓性能參數(shù)試驗值和理論值

根據(jù) GB50005-2017《木結構設計標準》[19]計算大小一致的原木柱在相同尺寸下的理論承載力為1 266.1 kN，同時算得穩(wěn)定系數(shù)為0.95.由表2 可看出，膠合木柱計算承載力達到1 159.9 kN，穩(wěn)定系數(shù)達到0.946，與原木柱理論的承載力相差106.2 kN，而穩(wěn)定系數(shù)基本相等.

3 結論

1)試件在極限荷載時均發(fā)生了材料破壞，荷載-應變曲線呈現(xiàn)出彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.木柱豎向變形隨著荷載的不斷增加，前期呈線性變化；當荷載達到極限荷載的80%時，隨著荷載的增大，進入塑性變形階段.

2)試件抗壓承載力平均值為973.3 kN，說明小木方膠合后能協(xié)調發(fā)揮各自的抗壓性能.

3)膠合木柱試件相比理論大小的原木柱極限承載力降低了16.09%，滿足工程要求.