薛瑩瑩 朱旭東

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州 225100）

云杉-松-冷杉（SPF）層板是木結(jié)構(gòu)建筑的常用材料，可采用設(shè)備對(duì)其進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)，測(cè)定木材彈性模量作為評(píng)價(jià)材質(zhì)等級(jí)的指標(biāo)之一[1]。層板主要應(yīng)用于輕型木結(jié)構(gòu)墻骨柱、擱柵等構(gòu)件，也可通過(guò)膠合、釘連接等方式生產(chǎn)集成材、組合梁柱等構(gòu)件。其中釘連接層積材是層板在寬度方向?qū)訉盈B合基礎(chǔ)上，用釘連接而成，可作為樓板、梁柱等構(gòu)件。當(dāng)釘連接層積材作為樓板構(gòu)件使用時(shí)，其抗彎強(qiáng)度需要進(jìn)行破壞性承載力測(cè)試，而對(duì)于彈性模量可以根據(jù)非破壞性試驗(yàn)，在材料的彈性區(qū)間范圍內(nèi)，建立釘連接層積材彈性模量和層板彈性模量平均值之間的關(guān)系。

釘連接常被用于木結(jié)構(gòu)框架剪力墻[2]、樓蓋和屋蓋構(gòu)件，連接墻骨柱和覆面板形成較強(qiáng)的抗側(cè)承載力，節(jié)點(diǎn)處的釘拔出、彎剪和釘帽凹陷是主要的破壞形式[3-7]。影響釘連接節(jié)點(diǎn)性能的重要參數(shù)包括木構(gòu)件樹(shù)種、釘?shù)闹睆?、螺紋形式、釘間距和高鹽高濕環(huán)境等[8-12]。研究者通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，推導(dǎo)釘連接節(jié)點(diǎn)的剛度計(jì)算公式、承載力模型和恢復(fù)力模型[13-17]，進(jìn)一步分析雙釘協(xié)同作用[18]以及釘連接桁架等構(gòu)件的破壞形式[19]，并研究了防止木材開(kāi)裂的方法[20-21]。上述對(duì)釘連接節(jié)點(diǎn)的研究中，均未見(jiàn)釘連接層積材彈性模量和層板彈性模量之間關(guān)系的研究。

本研究采用麻花釘連接4 根SPF層板制備層積材，通過(guò)非破壞性抗彎測(cè)試方法[1]和Weibull分析[22]，明確所用SPF材料的材質(zhì)等級(jí)，再通過(guò)釘連接層積材和層板彈性模量之間的數(shù)值對(duì)比，分析兩者之間的聯(lián)系，最終建立釘連接層積材和層板彈性模量之間的擬合關(guān)系。在木結(jié)構(gòu)建筑工程中，作為樓板重要指標(biāo)之一的撓度限值即是采用彈性模量來(lái)推算，而樓板整體構(gòu)件測(cè)試難度較大，因此通過(guò)本研究，可以采用測(cè)試層板彈性模量預(yù)測(cè)樓板的剛度是否符合設(shè)計(jì)要求。

1 材料與方法

1.1 材料

層板選自北美進(jìn)口云杉-松-冷杉（SPF）規(guī)格材，尺寸為38 mm×89 mm×1 800 mm，材質(zhì)等級(jí)為二級(jí)，密度平均值為495 kg/m3，含水率為9.7%。麻花釘直徑為3.2 mm，長(zhǎng)度63 mm，表面鍍鋅，抗彎屈服強(qiáng)度為789.63 MPa。SPF和麻花釘均由蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司提供。

1.2 設(shè)備

橫截鋸（M2300B），Makita公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（WDW-100E），濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司，最大力為100 kN；羊角錘。

1.3 Weibull分析

Weibull分布的分布函數(shù)F(x)和概率密度函數(shù)f(x)分別如式（1）、（2）所示[22]：

將Weibull分布的分布函數(shù)變形為式（3）：

再將其兩邊取兩次對(duì)數(shù)得到式（4）：

1.4 性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》抗彎試驗(yàn)方法A測(cè)試117 根規(guī)格材層板的彈性模量，在不剔除未達(dá)標(biāo)的層板的情況下，從117 根規(guī)格材中隨機(jī)抽取48 根規(guī)格材層板作為層積材層板，再?gòu)某槿〉?8 根規(guī)格材中隨機(jī)挑選4 根規(guī)格材層板組成1 根釘連接層積材，總計(jì)隨機(jī)組合成12 根釘連接層積材。釘連接層積材采用手工錘敲入麻花釘?shù)姆绞剑瑢㈦S機(jī)挑選的4 根規(guī)格材兩兩釘連接在一起。采用雙排齊列麻花釘?shù)姆绞?，釘間距為150 mm，不同層麻花釘錯(cuò)位75 mm設(shè)置，麻花釘距離規(guī)格材層板邊緣25 mm，層板和釘連接層積材的彈性模量均依據(jù)GB/T 26899—2011 抗彎試驗(yàn)方法A進(jìn)行測(cè)試，加載點(diǎn)之間的距離均為356 mm，支承點(diǎn)之間的距離均為1 602 mm（見(jiàn)圖1）。

圖1 釘連接層積材的制作方法Fig.1 Manufacture method of nail-laminated timber

2 結(jié)果與分析

2.1 層板彈性模量

本文測(cè)試了117 根SPF規(guī)格材的彈性模量，結(jié)果如表1 所示。

如圖2 所示，將1nEi和1n[-1n(1-F(Ei))]分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，如果數(shù)據(jù)均散布在一條直線附近，即可認(rèn)為彈性模量變化符合Weibull分布，這條擬合直線的斜率即為形狀參數(shù)α，直線與縱軸的截距即為α1nβ。通過(guò)計(jì)算得出α= 5.170 3， β=10 272.05，擬合精度R2=0.975 3。

表1 層板彈性模量Tab.1 MOE of lumbers

圖2 Weibull分布回歸檢驗(yàn)Fig.2 Regression inspection of Weibull distribution

層板彈性模量的分布函數(shù)為：

層板彈性模量的密度函數(shù)為：

根據(jù)式（6）、（7），計(jì)算得出層板彈性模量的Weibull概率和密度分布曲線（見(jiàn)圖3～4）。GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄E.4.1 中對(duì)ⅡcSPF規(guī)格材層板彈性模量的規(guī)定值為5 900 MPa，在概率分布曲線上對(duì)應(yīng)于5.53%，說(shuō)明此批層板的彈性模量經(jīng)Weibull分析后達(dá)到二級(jí)材Ⅱc的可靠度為94.47%，即可推斷達(dá)不到二級(jí)材的概率僅為5.53%。

圖3 層板彈性模量Weibull概率分布曲線Fig.3 Weibull distribution of lumbers under different MOE

圖4 層板彈性模量Weibull概率密度分布曲線Fig.4 Weibull probability density of lumbers under different MOE

2.2 釘連接層積材彈性模量

由表2 可見(jiàn)，48 根層板的彈性模量變異性較大，其最大值為14 040 MPa，最小值為5 514 MPa，平均值為9 612 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為2 050.7 MPa。48 根層板中有25 根的彈性模量低于9 612 MPa，對(duì)這25 根層板中間跨距三分之一處進(jìn)行詳細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)有23 根在這個(gè)區(qū)域有節(jié)子，且節(jié)子由于前期干燥等原因，發(fā)生了不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。

表2 層板和釘連接層積材的彈性模量Tab.2 MOE of lumber and nail-laminated timber

圖5 層板和釘連接層積材彈性模量Fig.5 MOE of lumbers and nail-laminated timbers

如圖5 所示，比較4 根層板的彈性模量和其組成的釘連接層積材的彈性模量，發(fā)現(xiàn)釘連接層積材的彈性模量高于對(duì)應(yīng)的4 根層板中最小的彈性模量，但低于4 根層板彈性模量的平均值。從圖6 中可見(jiàn)，節(jié)子對(duì)釘連接層積材的影響較大，裂紋和破壞均發(fā)生于節(jié)子處。釘連接層積材的彈性模量受組成的4 根層積材彈性模量的影響，尤其受彈性模量最低的層板影響較大。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)4 根層板彈性模量之間的相差越小，也就是標(biāo)準(zhǔn)差越小，則釘連接層積材的彈性模量越接近于4根層板的彈性模量平均值，如圖5 中的7 號(hào)試件。

圖6 釘連接層積材破壞形態(tài)Fig.6 Failure mode of the nail-laminated timbers

2.3 層板與釘連接層積材彈性模量的關(guān)系

通過(guò)上述對(duì)釘連接層積材彈性模量和組成的4 根層板的彈性模量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)它們之間存在下式（8）的關(guān)系：

式中：Z——釘連接層積材彈性模量計(jì)算值，MPa；

X——組成釘連接層積材的4 根規(guī)格材的彈性模量平均值，MPa；

Y——組成釘連接層積材的4 根規(guī)格材的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

從表2 可見(jiàn)，釘連接層積材樓板彈性模量的測(cè)試值和式（8）的計(jì)算值相差均在4.26%以內(nèi)，說(shuō)明擬合公式具有較高的精度。

3 結(jié)論

1）層板彈性模量符合Weibull分布，117 根層板未達(dá)到GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱc要求的僅為5.53%；

2）12 根釘連接層積材的彈性模量均低于其對(duì)應(yīng)的四根層板彈性模量的平均值，但高于四根層板彈性模量的最小值；

3）釘連接層積材的彈性模量(Z)與對(duì)應(yīng)的4 根層板彈性模量的平均值(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(Y)之間存在關(guān)系Z=0.983 15X-0.382 15Y-244.079 36。