翟 蓮 劉長(zhǎng)安 錢(qián)詠梅 張竹軍 楊瑩瑩

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要大量的木材資源。我國(guó)森林覆蓋面積較小，代木材料就顯得十分重要。這些年研究者對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，不少秸稈經(jīng)過(guò)加工可以達(dá)到環(huán)保、節(jié)能、低碳的效果，市場(chǎng)價(jià)值較大。農(nóng)作物秸稈制板技術(shù)始于20世紀(jì)初，源自于西歐[1]。1921年，美國(guó)利用甘蔗渣制造軟質(zhì)纖維板，20世紀(jì)40年代末以后，以麻稈等農(nóng)作物的秸稈、甘蔗渣為原材料的人造板廠(chǎng)都得到一定的發(fā)展[2]。此外，還將農(nóng)作物秸稈制作成墻體板材，如麥秸中密度纖維板和麥秸定向刨花板[3]。

文章研究的玉米秸稈重組集成材就是一種可再生資源，本項(xiàng)目屬于吉林省科技廳重大項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為20180201066SF，合理地開(kāi)發(fā)和利用玉米秸稈重組集成梁將有助于綠色建材的發(fā)展。

玉米秸稈重組集成材制備工藝主要包括選材、據(jù)板、砂光、涂膠、加鎖固定、齊頭截?cái)?、打磨處理等環(huán)節(jié)。文章采用ABAQUS有限元軟件對(duì)水平紋水平拼接的玉米重組集成梁抗剪性能進(jìn)行有限元模擬分析，再結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行研究。這里我們只研究剪跨比為1的梁受剪性能破壞機(jī)理，觀察和對(duì)比玉米秸稈重組集成梁的受剪情況，并進(jìn)行歸納、整理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)試件是兩根相同尺寸大小的水平紋水平拼接的玉米秸稈重組集成梁。尺寸為120 mm×150 mm×1 800 mm(寬×高×長(zhǎng))的試件，采用四點(diǎn)加載法進(jìn)行加載（如圖1-1所示）。試件從加載到破壞的時(shí)間一般控制在10 min以?xún)?nèi)。試驗(yàn)設(shè)備采用廠(chǎng)房配備的500 kN微機(jī)控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1-2所示），數(shù)據(jù)通過(guò)DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行提取。為了測(cè)量梁的撓度和應(yīng)變，試件梁加載點(diǎn)下方各安裝一個(gè)位移計(jì)，加載點(diǎn)周?chē)土褐虚g沿截面高度都需要貼上應(yīng)變片。試驗(yàn)前調(diào)試試驗(yàn)儀器，檢查連接到電腦上的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)是否平衡、讀取數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、參數(shù)設(shè)置是否滿(mǎn)足要求。

圖1 -1 梁示意圖

圖1 -2 試驗(yàn)機(jī)器

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞機(jī)理

第一根梁的試驗(yàn)：在加載初期，荷載隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化，隨著荷載的不斷增大，梁上部受壓和梁下部受拉位置會(huì)慢慢起皮，重組集成梁的纖維會(huì)發(fā)出撕裂的聲響；隨著荷載的增大，梁的下部會(huì)聽(tīng)到間斷性的噼里啪啦聲音；隨著荷載的繼續(xù)增加，在荷載達(dá)到59 kN時(shí)，發(fā)出劇烈的聲響，荷載急劇下降，梁中間位置發(fā)生受彎破壞（如圖2-1所示）。

第二根梁的試驗(yàn)：隨著荷載的增加，受剪區(qū)會(huì)發(fā)出間斷性的噼里啪啦聲音；隨著荷載的繼續(xù)增加，梁下部受拉區(qū)會(huì)逐漸起皮，且受剪區(qū)噼里啪啦的聲音會(huì)更加頻繁，在受剪區(qū)會(huì)看到裂紋從中間向梁上部受壓區(qū)和梁支座發(fā)展；最后伴隨著一聲聲響，在梁受剪區(qū)下部發(fā)生了受剪破壞（如圖2-2所示）。

圖2 -1 梁試驗(yàn)過(guò)程

圖2 -2 梁試驗(yàn)過(guò)程

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)，第一根梁在荷載達(dá)到59 kN時(shí)發(fā)生受彎破壞，第二根梁在荷載達(dá)到41.45 kN時(shí)發(fā)生受剪破壞。通過(guò)對(duì)比兩根梁的跨中荷載-位移曲線(xiàn)（如圖3-1所示），發(fā)現(xiàn)荷載位移曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致。加載初期都呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，隨著荷載的增大，位移也在增加，第二根梁的變形比第一根梁的變形大。在相同荷載作用下，第二根梁的變形較為嚴(yán)重，受剪區(qū)發(fā)生變形，材料纖維之間受力，發(fā)生受剪破壞，梁跨中下部位置起皮。第一根梁的變形主要發(fā)生在跨中受彎區(qū)，當(dāng)荷載加載到一定值，位移變化較大，直到最后發(fā)生脆性破壞，屬于受彎破壞。

圖3 -1 試件跨中荷載—位移曲線(xiàn)

兩根梁跨中不同位置的應(yīng)變片可以測(cè)量隨著荷載的增加沿截面高度的應(yīng)變變化，通過(guò)數(shù)據(jù)的整理和分析，兩根梁的跨中沿截面高度變化曲線(xiàn)趨勢(shì)基本相同，梁上部受壓區(qū)應(yīng)變值都小于梁下部受拉區(qū)應(yīng)變值，受彎破壞的梁沿截面高度應(yīng)變變化較為明顯，增長(zhǎng)速度較快，隨荷載的不斷增加，應(yīng)變值較大（如圖3-2所示）。受剪破壞的梁沿截面高度應(yīng)變變化較小，應(yīng)變值較?。ㄈ鐖D3-3所示）。

圖3 -2 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

圖3 -3 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

2 模擬分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)玉米秸稈重組集成梁受剪情況進(jìn)行有限元分析，采用有限單元法。有限單元法是一種利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬分析計(jì)算的數(shù)值分析方法[4]。而ABAQUS則是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和廣泛的模擬能力，含有豐富的單元模型、材料模型及分析過(guò)程[3]。無(wú)論是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性問(wèn)題還是非線(xiàn)性組合問(wèn)題，都能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到滿(mǎn)意的結(jié)果[6]。

玉米秸稈重組集成材屬于各向異性材料，在不同方向上的模量各不相同，差異比較大。根據(jù)以往所做的玉米秸稈重組集成材水平紋水平拼接梁的材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)材料屬性進(jìn)行定義，每層材料之間的膠層采用實(shí)體建模，每層板與膠之間設(shè)置綁定。梁下墊有墊塊，梁的尺寸為120 mm×150 mm×1 800 mm（寬×高×長(zhǎng)）。通過(guò)創(chuàng)建部件、屬性、裝配，設(shè)置分析步，定義荷載、邊界條件，劃分網(wǎng)格，經(jīng)分析后得到應(yīng)力云圖（如圖4所示）。梁的受剪區(qū)域應(yīng)力較大，最大應(yīng)力集中在支座和墊片周邊，梁上部受壓區(qū)和梁下部受拉區(qū)都有應(yīng)力，其值比受剪區(qū)域較小，梁跨中上部位置產(chǎn)生的是較小的負(fù)應(yīng)力，梁下部位置產(chǎn)生的是正應(yīng)力。梁兩端應(yīng)力較小。在荷載作用下，梁受剪區(qū)域應(yīng)力不斷增加，直至最后發(fā)生受剪破壞。

圖4 應(yīng)力云圖

通過(guò)軟件模擬，我們導(dǎo)出梁荷載-位移曲線(xiàn)（如圖5-1所示）。荷載開(kāi)始隨著時(shí)間和位移呈線(xiàn)性變化，隨后荷載增加，位移變化較大，直至最后發(fā)生受剪破壞，最大值為52 kN，導(dǎo)出荷載沿截面高度變化曲線(xiàn)（如圖5-2所示），觀察發(fā)現(xiàn)：跨中隨高度發(fā)生的應(yīng)變較小，變化較為均勻，變化趨勢(shì)同試驗(yàn)基本相同；梁跨中拉應(yīng)變值比壓應(yīng)值的變化要大些，但都是均勻增長(zhǎng)。

圖5 -1 試件跨中荷載—位移曲線(xiàn)

圖5 -2 梁跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

3 總結(jié)

文章通過(guò)四點(diǎn)加載法對(duì)兩根玉米秸稈重組集成材水平紋水平拼接梁進(jìn)行了試驗(yàn)，并通過(guò)模擬分析進(jìn)行對(duì)比，所得荷載-位移曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同，梁跨中沿截面高度曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，梁跨中受壓區(qū)應(yīng)變值比受拉區(qū)應(yīng)變值小，梁跨中受壓區(qū)和受拉區(qū)都有較小應(yīng)力。影響梁受剪的因素很多，本試驗(yàn)極限荷載相差較大，材料本身存在不穩(wěn)定性，還需進(jìn)行大量研究。玉米秸稈重組集成梁是一種代木結(jié)構(gòu)的綠色建材，其應(yīng)用將會(huì)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。