董春雷 張宏健

(1.西南林業(yè)大學材料工程學院，云南 昆明 650224;2.東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

竹木復合工字梁靜曲蠕變性能評價

董春雷1，2張宏健1

(1.西南林業(yè)大學材料工程學院，云南 昆明 650224;2.東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為評價竹木復合工字梁(BWIB)的靜曲蠕變性能和抗蠕變服役能力，借鑒美國標準ASTM D5055-04和ASTM D6815-02a檢測分析BWIB的快速蠕變性能和90 d蠕變性能。結果表明,BWIB的靜曲蠕變符合木質材料的一般蠕變特征；BWIB 90 d內發(fā)生的全程靜曲蠕變撓度為5.33 mm，其中，初始段(第1天)內發(fā)生的蠕變撓度為1.38 mm，不可恢復的蠕變撓度為1.79 mm，分別占試驗全程靜曲蠕變撓度的25.9%和33.6%；BWIB的快速靜曲蠕變回彈率和90 d靜曲蠕變相對變形率分別為Φ=91.05%和FD90=1.55，分別符合美國標準ASTM D5055-04規(guī)定的Φ≥90.0%和ASTM D6815-02a規(guī)定的FD90<2.0的要求；靜曲蠕變對BWIB的靜曲剛性無顯著影響。

竹木復合工字梁；靜曲蠕變；快速蠕變；抗蠕變服役能力

竹木復合工字梁[1](bamboo-wood composited I-beam，BWIB)(圖1)是一種以工業(yè)速生林木意楊(PopuluseuramevicanaI-214)所制的單板層積材(laminated veneer lumber，LVL)為翼緣，以竹定向刨花板(bamboo based oriented strand board)為腹板的承重性木質建筑材料，其常規(guī)靜態(tài)力學性能指標完全達到我國現(xiàn)行民用建筑標準對高強度承重梁的要求[2]，可作為現(xiàn)代木結構建筑樓蓋、屋蓋等結構梁使用。

在設計和使用時，由于木質材料的靜曲強度相較于靜曲彈性模量往往有較大剩余，因此，承重性木質梁應用于木結構建筑時，首要需考查以撓度來衡量的抵抗豎向靜曲變形的能力[2-3]。除瞬時靜曲變形外，木質梁隨時間的延長還會發(fā)生明顯的靜曲蠕變變形，并可導致其靜態(tài)力學性能和形體穩(wěn)定性下降甚至喪失[4]，因此靜曲蠕變撓度應成為衡量承重性木質梁工程應用性能的重要指標之一。

然而，我國《木結構設計規(guī)范》只給出了木質梁在使用時的構造要求而無形變限值的規(guī)定[5]，而《木結構設計手冊》雖給出了木質梁的瞬時靜曲形變限值(靜態(tài)設計值)[6]，但由于缺乏對木質梁長期服役形變的規(guī)定和相應檢測方法，從而導致我國在設計、生產和檢驗環(huán)節(jié)均不能對木質梁長期服役性能的科學性和合理性做出評判。

為此，本文借鑒北美現(xiàn)有木質梁蠕變性能評價方法，對本課題組自行設計制作的BWIB蠕變性能進行試驗分析，以期為該方面的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

自行設計制作的BWIB 6條，規(guī)格為：長×寬×高=4 388 mm×40 mm×241 mm。其翼緣為意楊酚醛樹脂單板層積材，產自連云港博愛木業(yè)公司，截面尺寸為：寬×厚=40 mm×40 mm，絕干密度551 kg/m3，抗彎強度和彈性模量分別為35.0 MPa和 9 700 MPa，符合國標GB 20241—2006《單板層積材》90E級標準。其腹板為竹定向刨花板，產自昆明西木木材工業(yè)研究開發(fā)公司，厚度為10 mm，絕干密度850 kg/m3，靜曲強度、彈性模量和內結合強度分別為40、4 200 MPa和0.7 MPa，符合林業(yè)標準LY/T 1580—2000《定向刨花板》對OSB/3類板的要求，按美國標準ASTM D1037-06a測定的其橫截面雙軌剪切強度為22.0 MPa。按我國現(xiàn)行民用建筑設計規(guī)范[7-8]，試驗所用BWIB的設計荷載應為4.9 kN。

1.2 儀器設備

1) 帶防側向失穩(wěn)裝置和雙點加載橫梁的大跨度SANS萬能力學試驗機一臺，精度10 N。

2) 帶防側向失穩(wěn)裝置的大跨度靜曲蠕變測試裝置6對(圖2)。

3) 用以測量BWIB跨中撓度的百分表6支，量程50 mm，精度0.01 mm。

4) 激光水平校準儀1臺。

1.3 衡量指標

撓度：BWIB的實測跨中形變值，即靜曲撓度值。

蠕變撓度：其數(shù)值等于每一時間點實測靜曲撓度值與瞬時彈性撓度的差值。

1.4 測試方法

1.4.1靜曲彈性模量測試 按ASTM D5055-04和GB/T 50329—2002四點彎曲測試方法測試BWIB的靜曲彈性模量MOE[9-10]，取最大加載力為5 kN。

1.4.2 蠕變測試

1) 快速蠕變及回彈測試。按ASTM D5055-04快速蠕變測試方法(所用設備同靜曲測試)檢測試件的快速靜曲蠕變和蠕變回彈率，其方法為：首先對BWIB施加其設計載荷的20%(本試驗為0.98 kN)，迅速記錄其跨中撓度值S1，繼續(xù)加載至BWIB設計載荷的1.5倍(本試驗為7.35 kN)并保持1 h，記錄其跨中撓度值S2，然后再卸載至其設計載荷的20%(本試驗為0.98 kN)，15 min后再次記錄其跨中撓度值S3。

2) 自然蠕變測試。以(時值旱季的)昆明1—3月份室內溫度4～32 ℃、相對濕度10%～65%的自然通風環(huán)境為BWIB蠕變環(huán)境，按ASTM D6815-02a[11]四點彎曲測試方法，2個加荷點分別荷載150 kg，共300 kg(2.94 kN，為試件設計荷載的60%)，用百分表測量試件BWIB的跨中撓度。記錄以下階段的數(shù)據(jù)：(1)荷載加載1 min時和隨后1 h內時每隔10 min的BWIB撓度值，同時記錄測試場所的環(huán)境溫度(T)和相對濕度(RH)值；(2)其后每天8∶30和17∶30各記錄1次BWIB的撓度值以及環(huán)境T和RH，一直持續(xù)90 d；(3)蠕變試驗結束后，迅速解除各試件荷載，每隔10 min記錄1次試件的跨中撓度值，持續(xù)記錄3 h；隨后的14 d中每天8∶30和17∶30各記錄1次試件撓度值以及環(huán)境T和RH。之后將試件置于與第1次靜曲MOE測試相同的環(huán)境平衡30 d，再次按ASTM D5055-04[9]四點彎曲測試方法測試BWIB的MOE，其中仍取最大加載力為5 kN。

2 結果與分析

2.1 室內自然環(huán)境下BWIB的靜曲蠕變

BWIB 90 d的平均靜曲蠕變撓度和卸載后14 d的平均蠕變撓度恢復曲線見圖3。

由圖3可知，BWIB的蠕變曲線和蠕變恢復曲線與實木的恒濕靜曲蠕變曲線和恢復曲線[11]相似，均表現(xiàn)出粘彈性變形階段(圖3 ac段)中蠕變撓度隨時間延長而逐漸增加的基本特征，從而可認為：室內自然環(huán)境條件中BWIB的總體靜曲蠕變行為符合木質材料在恒濕條件中普通靜曲蠕變的一般規(guī)律。

試驗中BWIB在90 d的全程靜曲蠕變撓度為5.33 mm，其中在初始段(ab段)內發(fā)生的蠕變?yōu)?.38 mm，占試驗全程靜曲總蠕變撓度的25.9%，不可恢復蠕變?yōu)?.79 mm，占試驗全程靜曲蠕變的33.6%。

2.2 BWIB靜曲蠕變性能的評價

2.2.1BWIB靜曲蠕變性能的快速評價 根據(jù)BWIB與實木靜曲蠕變規(guī)律[12-13]的總體相似性，即BWIB在初始段的蠕變撓度最大(圖3 ab段)，但其中大部分蠕變可在短時內恢復(圖3 de段)，應用美國標準ASTM D5055-04[4]，以靜曲蠕變撓度回復量與靜曲蠕變總撓度的比值，即回彈率Ф為衡量指標，按式(1)～(3)對BWIB的靜曲蠕變性能作快速檢測和近似評價。

(1)

ΔS=S3-S1

(2)

S=S2-S1

(3)

式中：Φ為回彈率(%)；ΔS為不可恢復形變量(mm)；S為總變形量(mm)。

試驗中，BWIB的測試平均值為S1=3.23 mm，S2=23.23 mm，S3=5.01 mm，則其靜曲蠕變的快速蠕變回彈率平均值=91.05%(COV=2.80%)，達到美國標準Φ≥90%的要求。

2.2.2BWIB 90 d的靜曲蠕變評價 BWIB 90 d蠕變速率統(tǒng)計結果見表1。

表1 BWIB 90 d蠕變速率統(tǒng)計情況

由表1可知，BWIB 90 d內各階段撓度的大小變化關系依次為D30-Di>D60-D30>D90-D60(D為撓度形變；下標表示對應的時間，其中i為初始時間1 min，30表示第30天)，BWIB在前60 d和前90 d的蠕變速率分別為1.48 mm/30 d和1.55 mm/30 d，基本相等?？梢姡珺WIB的形變速率隨時間延長而減小，并在試驗結束時趨于穩(wěn)定，可以認為是達到了木質材料普通蠕變的第二階段，即蠕變穩(wěn)定階段。

雖然BWIB的上述蠕變速率發(fā)展趨勢及規(guī)律與木質材料相似(圖3)[10]，但其能否安全地應用于木結構建筑仍需給予定量評價。美國標準ASTM D6815-02a認為，木質工程材料在90 d干態(tài)環(huán)境下(木材含水率不高于19%)的蠕變測試已可檢測到無論任何形式的蠕變-破壞效應的75%，而剩余25%蠕變-破壞效應需30～50 a蠕變測試時間，同時該標準還發(fā)現(xiàn)當90 d相對變形率FD90≤2.0時，材料可安全地應用于處干態(tài)環(huán)境下的木結構建筑[11]。FD90具體計算方法如下：

(4)

式中：Di為初始形變量，為試件加荷1 min后的撓度值(mm)；D90為試件加荷90 d后的撓度值(mm)；FD為相對變形率(fractional deflection，F(xiàn)D)。

由表1及式(4)計算結果可知，本試驗試材BWIB的FD90=1.55<2.00，符合美國標準ASTM D6815-02 a對木質工程材料靜曲蠕變的要求。

2.3 蠕變對BWIB靜曲剛性的影響

BWIB的靜曲剛性可用其在標準試驗測試條件[5]下整梁的瞬時跨中撓度和靜曲彈性模量MOE來衡量。BWIB在90 d蠕變試驗前后不同加載力下的跨中撓度值和靜曲MOE的對比情況見圖4～5。

由圖4～5可知，相同加載力下，蠕變后BWIB的平均靜曲撓度和平均靜曲MOE與蠕變前的分別相差僅2.60%和0.69%。發(fā)生過蠕變的BWIB的荷載-撓度曲線在比例極限段內仍表現(xiàn)為高度的線性特征。

由此可知，符合我國現(xiàn)行民用建筑標準要求的BWIB，經(jīng)歷90 d蠕變和正?；謴秃?，其靜曲剛性與蠕變前無顯著差異。

3 結 論

1) BWIB 90 d內發(fā)生的全程靜曲蠕變撓度為5.33 mm，其中在初始段(第1天)內發(fā)生的為1.38 mm，占試驗全程靜曲蠕變撓度的25.9%，不可回復蠕變撓度為1.79 mm，占試驗全程靜曲蠕變撓度的33.6%。

2) BWIB的靜曲蠕變符合常用木質工程材料的一般蠕變特征，可以用美國標準ASTM D5055-04和ASTM D6815-02 a快速測試方法對其蠕變性能進行評價。

3) 本試驗BWIB的快速靜曲蠕變回彈率和90 d靜曲蠕變相對變形率分別為Φ=91.05%和FD90=1.55，分別達到美國標準ASTM D5055-04規(guī)定的Φ≥90.0%和ASTM D6815-02a規(guī)定的FD90<2.0的要求。

4) 蠕變對BWIB的靜曲剛性無顯著影響。

[1] 張宏?。衲緩秃瞎ぷ至海褐袊?，200620019276.5[P]．2006-03-07．

[2] 李統(tǒng)，黃宇翔，張宏健，等.不同含水狀態(tài)下實木梁的靜曲蠕變[J].西南林業(yè)大學學報,2013,33(6):80-83.

[3] PRI-400. Performance Standard for APA EWS I-Joists[S].APA-The Engineered Wood Association，2004.

[4] Leichti R J, Tang R C. Effect of creep on the reliability of sawn lumber and wood-composite I-beams[J]. Mathematical and Computer Modelling, 1989, 12(2): 153-161.

[5] 上海現(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司.GB 5005—2003.木結構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[6] 《木結構設計手冊》編輯委員會.木結構設計手冊[M]. 3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7] 中華人民共和國建設部.GB 50009—2001.建筑結構荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[8] 中華人民共和國建設部.GB 50096—1999.住宅設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[9] ASTM D5055-04.Standard Specification for Establishing and Monitoring Structural Capacities of Prefabricated Wood I-Joists[S]. American Society for Testing and Materials， 2004．

[10] 中華人民共和國建設部.GB/T 50329—2002木結構試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

[11] ASTM D6815-02a.Standard Specification for Evaluation of Duration of Load and Creep Effects of Wood and Wood-Based Products[S]. American Society for Testing and Materials， 2002．

[12] 董春雷．木結構建筑用木質工字梁靜態(tài)彎曲性能的研究和設計[D]．昆明：西南林業(yè)大學，2009．

[13] 王逢瑚．木質材料流變學[M]．哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，1997．

(責任編輯 曹 龍)

Evaluation of the Static Bending Creep of Bamboo-Wood Composited I-Beam

DONG Chun-lei1,2， ZHANG Hong-jian1

(1.College of Material Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunan 650224,China; 2.College of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China)

In order to evaluate the static bending creep (SBC) and service capacity in creep-resistance of the bamboo-wood composited I-beam (BWIB) which was self-designed and self-made by the project, the rapid creep and 90-day creep were tested and analyzed employing ASTM D505-04 and ASTM D6815-02a. Results showed that the SBC of the BWIB accorded with the creep characteristics of common wood material. The total deflection of SBC of the BWIB in 90 days was 5.33 mm, in which the first-day deflection was 1.38 mm and the irreversible deflection was 1.79 mm, which occupied 25.9% and 33.6% of the total 90-day deflection respectively. Both the rate of the rapid recovery (Φ=91.05%) and the 90-day fractional deflection (FD90=1.55) of BWIB met the requirements of ASTM D5055-04, whoseΦ≥90% and of ASTM D6815-02a, whose FD90<2.0. SBC had no significant effect on the bending rigidity of BWIB.

bamboo-wood composited I-beam; static bending creep; rapid creep test;service capacity in creep-resistance

2014-01-10

國家自然科學基金項目(31170534)資助；西南林業(yè)大學校基金項目(111140)資助。

張宏健(1952—)，男，碩士，教授。研究方向：木竹材料的制造和應用。Email: hjzhang008@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.019

S781.7

：A

：2095-1914(2014)05-0099-04

第1作者：董春雷(1981—)，男，博士，實驗師。研究方向：木質工程材料和木結構建筑。Email:dchunlei@live.cn。