任雪瑩

摘 要

本文從木質(zhì)工字梁的使用背景出發(fā)，簡要從抗剪能力及蠕變能力方面分別闡述了木質(zhì)工字梁的整體性能對腹板的要求，提出了工字梁腹板厚度的設計和應用的重要性。

關鍵詞

復合木質(zhì)工字梁;腹板;剪切;厚度

中圖分類號： TS61 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.003

木質(zhì)重組型材料作為一種利用可再生資源的可持續(xù)發(fā)展林產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)設計中使用越來越廣泛。其中，預制重組木質(zhì)工字梁就是一種資源高效利用的現(xiàn)代木質(zhì)建筑材料。

由于木質(zhì)工字梁主要應用于木結(jié)構(gòu)的屋頂，地板的桁架和擱柵系統(tǒng)，其設計要滿足建筑材料力學的強度要求。在建筑應用中，工字梁端部垂向受壓或受到側(cè)向力作用時，若腹板的厚度設計不合理則容易發(fā)生變形，產(chǎn)生腹板失穩(wěn)問題，所以工字梁腹板厚度的設計和應用在工程實際中尤為重要，這正是本論文研究的主要內(nèi)容。

1 木質(zhì)工字梁對腹板的基本要求

木質(zhì)工字梁在木結(jié)構(gòu)建筑中使用時的受力形式可以簡化為簡支梁承受均布載荷的作用。木質(zhì)工字梁在建筑應用中，上翼緣主要承受壓應力作用，下翼緣主要承受了拉應力作用，而中間的腹板主要承受剪應力的作用。根據(jù)腹板的受力情況，本文著重從抗剪能力、抗蠕變能力來研究工字梁的整體性能對腹板的要求。

1.1 抗剪能力

在材料力學中，對梁的定義概括為：以彎曲變形為主的桿件。由截面法分析工字梁的內(nèi)力圖得知，工字梁的絕大部分剪力是由腹板承擔的，翼緣只承擔剪力的很小一部分;最大剪應力在中性軸上。

在工程實際中，梁的破壞常是由剪力引起的剪切破壞，即梁的破壞是由于梁的最大剪應力超過了材料的抗剪能力所致。所以工字梁的腹板材料要求選用高剪切模量和剪切強度的板材。

1.2 抗蠕變能力

在恒定的應力作用下，材料的應變隨時間的延長而逐漸增大的特性就稱為蠕變。[1]就木質(zhì)工字梁的材料本身來說，其翼緣材料為單板層積材（LVL），中間的腹板材料通常為刨花板或膠合板，根據(jù)木材的流變性原理，[2]這幾種人造板材料的蠕變性能存在著差異，表1為幾種木質(zhì)人造板蠕變性能試驗結(jié)果對比。[3]

其次，對木質(zhì)工程建筑構(gòu)件來看，工字梁的結(jié)構(gòu)對工字梁的蠕變也有影響。在1998年，chenetal得出結(jié)論，腹板材料對于IJ的蠕變性能有很大的影響作用。[4]

1.3 厚度問題的提出

因為工字梁的高度和梁長受建筑規(guī)范和經(jīng)濟指標的約束，高度變化范圍有限，而只有厚度是可選的，而另一方面，腹板厚度和膠合強度共同決定腹板的穩(wěn)定性能，所以在研究中設計腹板厚度就是關鍵問題。這正是本研究的目的和意義所在。

2 腹板的抗剪性能與厚度的關系

2.1 橫截面剪切及其與厚度的關系

工字型截面由翼緣部分和腹板部分組成。假設x軸沿梁的軸線，y軸沿橫截面的對稱軸，z軸沿橫截面的中性軸。它的橫截面剪應力分布圖如圖1所示。

由應力圖得知，工字型截面梁在翼緣和腹板兩部分的豎向剪應力τy都是拋物線分布，最大剪應力發(fā)生在中性軸上;絕大部分剪力是由腹板承擔的，翼緣只承擔剪力的很小一部分（翼緣部分除產(chǎn)生上述的豎向剪應力τy外，還有水平的剪應力τz），但總體上翼緣剪應力較小，是次要應力，所以設計時可以不做重點考慮，忽略不計。此外，還應注意，在翼緣和腹板交界處剪應力是突變的。

對腹板橫截面抗剪性能的測試國內(nèi)尚無檢測標準，通過測試橫截面抗剪強度的雙軌剪切檢測方法得知密度，內(nèi)結(jié)合強度一定時的竹大片刨花板的厚度與抗剪切強度成正相關。

2.2 層間剪切及其與厚度的關系

材料的層間剪切性能的測試多采用IOSIPESCU試件，對其采用化學氣象滲透（CVI）的方法來評定的。[5]材料的層間剪切性能是由材料本身的性質(zhì)所確定的。當以竹大片刨花板為腹板材料時，竹大片刨花間的破壞形式為：橫向褶皺、撕裂和縱向折斷、層間膠層剪切破壞等幾種形式，但未發(fā)現(xiàn)大片刨花攔腰截斷的破壞形式。

材料的層間剪切一般不易用力學模型模擬，不從力學方面分析。根據(jù)經(jīng)驗得知，腹板的層間剪切與厚度的影響關系不是很大。

3 腹板的種類，基本性能及其與厚度的關系

3.1 腹板的種類

考慮到木質(zhì)工字梁的受力情況，腹板主要承受剪力。所以在腹板原材料的選用中要考慮到諸多因素。在工程設計中腹板的種類主要有：實木板，纖維板，膠合板以及刨花板等。

3.1.1 實木板

在木質(zhì)工字梁早期使用時，腹板的材料曾經(jīng)使用過實木板。但由于工程構(gòu)件對材料的材質(zhì)等級和力學性能要求比較高，特別是腹板材料對抗剪強度的要求高，所以現(xiàn)在腹板材料的選用多不使用實木板材料。

3.1.2 纖維板

考慮到纖維板的抗彎曲性能不如膠合板，所以工程上不常使用纖維板作為腹板材料。但是，纖維板可以得到大尺寸幅面，板面內(nèi)以及橫截面上的力學性能均一性較好[6]，這是其他腹板材料所無法比擬的。

3.1.3 膠合板

膠合板具有強重比高，幅面大，變形小不易翹曲以及橫紋抗拉強度大等優(yōu)點。它是對天然木材各向異性的改造，強調(diào)的是各向同性。由于膠合板具有很好的橫截面抗剪和抗壓能力，比較復合木質(zhì)工字梁對腹板的力學要求，所以是腹板材料的選擇之一。但膠合板的甲醛釋放量是對住宅結(jié)構(gòu)用材的一種限制，[7]予以考慮。

3.1.4 刨花板

刨花板是一種主要的結(jié)構(gòu)用板材，對其要求要具有足夠的抗彎和抗剪能力。目前在國外的生產(chǎn)中，腹板材料多采用定向刨花板。竹大片刨花板和竹定向大片刨花板。經(jīng)過竹大片刨花板常規(guī)力學性能的測試，可知竹大片刨花板的靜曲強度和彈性模量優(yōu)于木質(zhì)大片刨花板，[8]所以可以用作木質(zhì)工字梁的腹板材料來使用。

3.2 腹板應滿足的基本性能

IJ在使用過程中發(fā)生的破壞現(xiàn)象有翼緣的扭曲變形、腹板的潰敗、腹板戳穿翼緣和側(cè)向擺動。根據(jù)材料力學原理對工字型截面受力分析可知：腹板在IJ梁中主要起到傳遞荷載，其荷載作用形式以剪應力為主，在截面中心位置剪切應力達到最大值。由此IJ整體梁對腹板用原料板材提出了抗剪強度的研究。國外目前通過在IJ端頭增加綴板以提高腹板的承載能力。

3.3 厚度對腹板性能的影響

根據(jù)研究結(jié)果表明：[8]高厚比大于20時，腹板厚度與壓板臨界失穩(wěn)強度呈正相關關系，但高厚比為30的壓板臨界失穩(wěn)強度隨腹板厚度增加的增長率要比高厚比為20時的大得多;進一步可以看出，高厚比小于20時，腹板的壓板臨界失穩(wěn)強度與腹板的厚度卻呈負相關關系。而且從不同高厚比腹板的不同破壞形式可以看出：較矮腹板的破壞主要以芯層內(nèi)結(jié)合破壞為主（因為厚板芯層的內(nèi)結(jié)合強度往往低于薄板的內(nèi)結(jié)合強度）。

4 總結(jié)

縱觀我國的木資源日益的匱乏，可用的原木徑級和材質(zhì)變得越來越差。由于以上等原因使得建筑木結(jié)構(gòu)中使用木質(zhì)復合材料來替代原木材料迫在眉睫。用“I”型結(jié)構(gòu)將翼緣（實木或單板層積材）和腹板（膠合板、OSB或大片刨花板）結(jié)合成一種高效結(jié)構(gòu)的復合木質(zhì)產(chǎn)品有非常大的應用前景。

參考文獻

[1]申宗圻.木材學[M].北京：中國林業(yè)出版社，1990.

[2]王逢瑚.木質(zhì)材料流變學[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，2005.

[3]劉一星，王蓬瑚.木質(zhì)建材手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[4]岳孔等.木質(zhì)材料蠕變研究進展[J].木材加工機械，2008.

[5]熊翔，黃伯云，肖鵬，吳鳳秋.準三維C/C復合材料的層間剪切性能及其斷裂機理[J].中國有色金屬學報，2004.

[6]張?zhí)K俊.復合材料作為建筑結(jié)構(gòu)用材的應用[J].林業(yè)機械與木工設備，2003.

[7]林利民，耿紹輝，王厚軍，等.輕型木結(jié)構(gòu)建筑覆面膠合板的產(chǎn)品特點及性能要求[J].人造板通訊，2004.

[8]張宏健，袁福興.木質(zhì)工字梁腹板用竹大片刨花板主要靜態(tài)力學性能的研究和設計[J].