王 麗 王 滋 丁青鋒 武國(guó)芳 趙榮軍
近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)森林可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識(shí)的提高,人工林的培育和營(yíng)造受到高度重視,其中落葉松在我國(guó)人工林中占較大比例。興安落葉松是生長(zhǎng)在我國(guó)東北林區(qū)大小興安嶺一帶的落葉松屬樹(shù)種,具有紋理筆直,結(jié)構(gòu)細(xì)密等優(yōu)點(diǎn)[1];日本落葉松是我國(guó)引種的人工林樹(shù)種之一,是落葉松屬適應(yīng)范圍廣、生長(zhǎng)潛力大的樹(shù)種,具有樹(shù)干端直,生長(zhǎng)速度較快,耐腐性較好,力學(xué)性能較高等優(yōu)點(diǎn)[2]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑源自北美,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、施工效率高等特點(diǎn),在20世紀(jì)90年代即被引入我國(guó)[3-4]。目前對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材在輕型木桁架中的應(yīng)用研究較少,為了能夠科學(xué)評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)落葉松在輕型木桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛能,實(shí)現(xiàn)輕型木結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)連接性能的研究很有必要。
選用日本落葉松(Larix kaempferi)、興安落葉松(Larix gmelinii)兩種規(guī)格材,以進(jìn)口規(guī)格材北美云杉(Picea sitchensis)為參照對(duì)象,與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板制成齒板連接節(jié)點(diǎn)試件,通過(guò)拉伸試驗(yàn)對(duì)其節(jié)點(diǎn)的抗拉極限承載力、臨界滑移剛度、延性、破壞形式以及三個(gè)樹(shù)種規(guī)格材順紋抗拉強(qiáng)度的比較,探究國(guó)產(chǎn)規(guī)格材在齒板連接性能方面存在的優(yōu)劣勢(shì),完善國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)材體系。
1)規(guī)格材日本落葉松(Larix kaempferi),原木采自遼寧清原大孤家林場(chǎng),氣干密度范圍:0.57~0.80 g/cm3;興安落葉松(Larix gmelinii),是采購(gòu)于大興安嶺的板材,氣干密度范圍:0.47~0.76 g/cm3;北美云杉(Picea sitchensis)為加拿大進(jìn)口規(guī)格材,氣干密度范圍:0.39~0.55 g/cm3;含水率調(diào)整至12%左右。采用機(jī)械分等法對(duì)其進(jìn)行分等,根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,選用Ⅲc等級(jí)規(guī)格材作為試驗(yàn)用材,避開(kāi)節(jié)疤開(kāi)裂等缺陷,鋸解為38 mm×89 mm×300 mm試件。
2)齒板試驗(yàn)用齒板為國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板。齒刻痕齒板是在普通齒板的基礎(chǔ)上,在位于板齒高度的1/3、1/2、2/3處平行刻痕,刻痕的深度在板齒厚度的30%左右,刻痕的寬度小于等于0.5 mm,刻痕長(zhǎng)度方向與板齒高度垂直方向成45°夾角[5],如圖1。齒板采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制成,齒板厚度為0.9~1.0 mm,齒長(zhǎng)約為10.4~10.9 mm,齒密度為106~108 No/dm2。
圖1 國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板Fig.1 Domestic truss plate with notch on tooth
WDW-300E型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、YHD-100型位移引伸計(jì)、夾具(自制)等。
1)規(guī)格材物理力學(xué)性能測(cè)試:依據(jù)GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》、GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》分別對(duì)三種規(guī)格材的密度、順紋抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。
2)連接試件制備:采用平壓的方式將齒板壓入規(guī)格材。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式采用荷載平行于木紋和齒板主軸方向(AA),每種構(gòu)型取5個(gè)試件。
3)試件含水率調(diào)節(jié):為方便裝配夾具,在試件兩側(cè)距端頭90 mm處鉆孔,孔徑為18 mm。將制備好的試件放入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%的恒溫恒濕箱平衡一周,以釋放齒板壓制過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
4)節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn):根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附錄M要求,設(shè)置加載速度為1.0 mm/min,以保證在5~20 min內(nèi)試件達(dá)到極限承載力,試件破壞試驗(yàn)停止。利用位移引伸計(jì),記錄節(jié)點(diǎn)連接處位移變化。
表1 三種規(guī)格材物理力學(xué)性質(zhì)Tab. 1 Physical and mechanical properties of three kinds of dimension lumbers
對(duì)興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1,由表中可知,國(guó)產(chǎn)興安落葉松和日本落葉松的密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于北美云杉。三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度均值分別為158.93、137.57、121.43 MPa,順紋抗拉強(qiáng)度的變異系數(shù)均在20%以內(nèi),說(shuō)明三者順紋抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定性較好。
通過(guò)對(duì)興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表2,在P=0.05水平下,興安落葉松、日本落葉松和北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度差異性顯著,即規(guī)格材種類對(duì)木材的順紋抗拉強(qiáng)度有顯著影響。
表2 三種規(guī)格材順紋抗拉強(qiáng)度單因素方差分析Tab. 2 Variance analysis of tensile strength parallel to grain of three kinds of dimension lumbers
三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)在AA構(gòu)型中的主要破壞形式見(jiàn)圖2,其中日本落葉松和北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)的主要破壞形式為齒拔出破壞,興安落葉松的主要破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。試驗(yàn)中由于破壞形式的不同試驗(yàn)現(xiàn)象也不同,試驗(yàn)初期,隨著拉力的增加齒板連接處產(chǎn)生輕微滑移,隨著拉力的增大板齒與木材的摩擦力逐漸增大,伴隨著輕微木材撕裂的聲音;試驗(yàn)后期,隨著拉力的繼續(xù)增大,齒板與木材間的摩擦力難以抵抗齒板所受拉力,由齒板邊緣處開(kāi)始板齒逐漸拔出,直至節(jié)點(diǎn)一側(cè)齒板全部拔出,節(jié)點(diǎn)失去承載能力,表現(xiàn)為齒拔出破壞;興安落葉松由于木材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均較大,在拉伸過(guò)程中,板齒與木材間具有較大的摩擦力,隨著拉力的增大,齒板齒根部分產(chǎn)生剪切破壞,伴隨著金屬撕裂的聲音,試驗(yàn)結(jié)束,表現(xiàn)為齒根斷裂破壞。主要原因是由于板齒部分刻痕降低了板齒強(qiáng)度且增加了板齒拔出時(shí)的摩擦力,因此在節(jié)點(diǎn)拉伸過(guò)程中,當(dāng)板齒承受的摩擦力大于齒根所能承受的剪切力時(shí),齒根發(fā)生斷裂。
圖2 齒板連接節(jié)點(diǎn)破壞形式Fig. 2 Failure modes of truss plate joints
從表3可知,興安落葉松、日本落葉松、北美云杉與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的板齒極限承載力分別是31.250、20.334、19.420 kN,國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材的板齒極限承載力大于進(jìn)口云杉規(guī)格材,且興安落葉松高于日本落葉松;三種規(guī)格材的板齒極限承載力變異系數(shù)均在20%以內(nèi),說(shuō)明三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)的拉伸性能穩(wěn)定性較好。在三種規(guī)格材的AA構(gòu)型中,興安落葉松與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的板齒極限承載力較北美云杉與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力高出69.42%,日本落葉松較其高出4.71%,主要原因是兩類國(guó)產(chǎn)落葉松木材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于進(jìn)口云杉,且興安落葉松木材的性能高于日本落葉松[7]。
對(duì)三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行方差分析,從表4可知,不同樹(shù)種規(guī)格材的節(jié)點(diǎn)極限承載力間存在極顯著差異。
三種規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度見(jiàn)表5,由于試驗(yàn)中部分節(jié)點(diǎn)在達(dá)到最大承載力時(shí)產(chǎn)生的位移小于0.8 mm,借鑒McCarthy[8]等的研究將臨界滑移值定為0.015 inch(0.38 mm)。由表可得對(duì)于同一構(gòu)型的三種不同規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn),國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的臨界滑移剛度大于進(jìn)口云杉規(guī)格材。其中興安落葉松齒板節(jié)點(diǎn)的臨界滑移剛度最高,是北美云杉的1.29倍;日本落葉松齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)的1.20倍。
表3 三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)極限承載力Tab. 3 Ultimate bearing capacity of the joints made up of three kinds of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation
表4 三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)板齒極限承載力方差分析Tab. 4 Variance analysis of ultimate bearing capacity of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation
表5 三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度統(tǒng)計(jì)Tab. 5 Critical slip stiffness of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation
利用Origin 8.0對(duì)三種規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行荷載-位移曲線擬合,結(jié)果見(jiàn)圖3。延性的好壞代表節(jié)點(diǎn)是否具有更好的抗震性能,延性較好的節(jié)點(diǎn)及建筑結(jié)構(gòu)在破壞前具有明顯的破壞預(yù)兆并可提供更多的逃生時(shí)間[9-10]。通過(guò)對(duì)荷載位移曲線的峰值區(qū)域面積進(jìn)行積分計(jì)算,對(duì)比分析三種規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)的延性。
圖3 三種規(guī)格材AA型節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線Fig. 3 Load-displacement curves of AA type joints of three kinds of dimension lumbers
由表6可知,兩種國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材的延性均好于進(jìn)口規(guī)格材,其中興安落葉松規(guī)格材與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)的延性最好,其齒板連接節(jié)點(diǎn)所經(jīng)受的變形量是北美云杉與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)變形量的1.22倍,其節(jié)點(diǎn)所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)吸收能量的1.81倍;但日本落葉松規(guī)格材的齒板連接節(jié)點(diǎn)所經(jīng)受的變形量小于北美云杉,其節(jié)點(diǎn)所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)吸收能量的1.11倍[11]。
表6 三種規(guī)格材節(jié)點(diǎn)峰值區(qū)域面積比較Tab. 6 Comparison of peak area of three kinds of joints
1)兩種國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于北美云杉規(guī)格材,不同種類木材順紋抗拉強(qiáng)度差異性顯著;日本落葉松及北美云杉規(guī)格材與齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)的主要破壞形式為齒拔出破壞,興安落葉松規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)的破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。
2)興安落葉松與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力較北美云杉與國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力高出69.42%,日本落葉松較其高出4.71%;兩種國(guó)產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度、峰值區(qū)域面積均高于北美云杉。
3)與常用進(jìn)口云杉規(guī)格材相比較,國(guó)產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)連接性能良好,可進(jìn)一步研究其在輕型木結(jié)構(gòu)建筑與橋梁中的應(yīng)用;國(guó)產(chǎn)齒刻痕齒板的連接性能較好,但易發(fā)生齒根斷裂破壞,應(yīng)深入研究提高刻痕齒板的板齒強(qiáng)度。
綜合以上研究結(jié)果,筆者認(rèn)為國(guó)產(chǎn)落葉松規(guī)格材物理力學(xué)性質(zhì)可以達(dá)到輕型木結(jié)構(gòu)規(guī)格材的使用要求;同時(shí)其與齒板連接節(jié)點(diǎn)承載性能、延性等均優(yōu)于進(jìn)口北美云杉。建議進(jìn)一步開(kāi)展國(guó)產(chǎn)規(guī)格材與齒板節(jié)點(diǎn)連接蠕變性能研究。
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