陳 強(qiáng)，楊 凌，謝子洪，沈 搏，謝興華，包燕敏，李先民

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

木材的應(yīng)用在中國(guó)已有四五千年的歷史，至今依然應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活的各個(gè)方面.木材具有重量輕、強(qiáng)重比高、彈性好、耐沖擊、紋理色調(diào)豐富美觀、加工容易等優(yōu)點(diǎn)，是一種良好的承重材料.但是木節(jié)、裂縫等缺陷會(huì)影響木材強(qiáng)度，木材大小又受到先天生長(zhǎng)環(huán)境的影響，同時(shí)木材又易受腐蝕、被蟲(chóng)蛀、且干燥易燃，因此限制了木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用.膠合木結(jié)構(gòu)是將厚度為20～45 mm、含水率低于18%的木板刨光后，經(jīng)膠層疊壓、膠合成各種形狀和截面尺寸的構(gòu)件及其組合結(jié)構(gòu).膠合木作為木材應(yīng)用的主要形式，它具有重量輕、紋路清晰、絕緣、強(qiáng)度大和不易變形的優(yōu)點(diǎn)，人們用層板膠合木可組成桁架、拱、框架、梁和柱等.目前，加拿大、美國(guó)均傾向于采用足尺試件進(jìn)行測(cè)定來(lái)減少其他因素的影響，以獲得更加準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù).文獻(xiàn)[1-3]對(duì)原木進(jìn)行了一系列研究，并利用超聲波法來(lái)測(cè)量原木的力學(xué)性能，討論如何更好地對(duì)原木進(jìn)行儲(chǔ)存.文獻(xiàn)[4-9]對(duì)木-混凝土等工程木結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元分析方法，研究不同參數(shù)對(duì)該混合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、變形、動(dòng)力特性等的影響.文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了竹-原木組合梁受彎試驗(yàn)，表明竹-木組合結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同工作.文獻(xiàn)[11]對(duì)竹筋實(shí)木組合板小變形階段的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)[12-16]對(duì)膠合木組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，但僅研究了大型木板和木方組合的力學(xué)性能，對(duì)小型木方組合截面形式及力學(xué)性能尚未予以研究.

本文針對(duì)現(xiàn)有小型杉木方膠合木柱力學(xué)性能研究的不足，利用目前南方速生小杉樹(shù)加工成小木方膠合柱，對(duì)其受壓性能進(jìn)行研究，為應(yīng)用開(kāi)發(fā)一種綠色建筑材料提供理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 膠合木柱試件制作與試驗(yàn)

1.1 材料選用與尺寸

1)木材：選用南方小杉木方，參照 GB/T 1931-2009《木材含水率測(cè)量方法》[17]，測(cè)得該批膠合木的含水率為12%，寬×高為48 mm×45 mm，長(zhǎng)度為150～500 mm.

2)膠合材料：白乳膠和固化劑，兩者以 1/20的質(zhì)量比例混合，承重結(jié)構(gòu)膠黏劑應(yīng)保證其膠合強(qiáng)度不低于木材順紋抗剪和橫紋抗拉強(qiáng)度.

3)膠合木柱尺寸：3 根膠合木柱編號(hào)分別為B-1、B-2、B-3，長(zhǎng)×寬為223 mm×223 mm，高為1 000 mm.

1.2 原木材料性能測(cè)試

為了獲得材料性能，參照 GB/T50329-2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，對(duì)15 個(gè)規(guī)格為80 mm×80 mm×240 mm 杉木短柱試件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得小木方抗壓彈性模量為3 468.8 MPa、抗壓強(qiáng)度為25.46 MPa.

1.3 膠合木柱制作

1)挑選、拼接材料.挑選表面光滑平整無(wú)其他不良痕跡的木方，將木方切割成長(zhǎng)短不等的木塊.將木塊拼接成木柱時(shí)，應(yīng)注意不要將拼接點(diǎn)放在同一截面.

2)制作流程(見(jiàn)圖 1).

圖1 膠合木柱制作工藝流程

3)加工注意事項(xiàng).挑選的木塊必須保證表面光滑沒(méi)有結(jié)點(diǎn)，無(wú)蟲(chóng)蛀、腐朽、髓心；粘接時(shí)木塊之間要緊密粘接，木塊之間不能出現(xiàn)縫隙，為了避免這種情況發(fā)生，在粘接時(shí)可以適當(dāng)給予規(guī)定的壓力使木塊之間緊密粘接；每粘接一層時(shí)由于膠涂抹不勻等原因可能導(dǎo)致木柱表面不平整，因此，每粘接一層就要將表面銼平，以保證其表面平順性.

1.4 試驗(yàn)方案

1)試驗(yàn)設(shè)備.采用5 000 kN 壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，選用XL2101C 程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù).為更好地測(cè)量木柱在豎向的應(yīng)變，在木柱4 個(gè)側(cè)面1/2 處柱高處，每個(gè)面均勻貼4個(gè)應(yīng)變片，共16 個(gè)，通過(guò)各側(cè)面的4 個(gè)應(yīng)變片觀察木柱在豎向的應(yīng)變狀況；另外，在木柱4 個(gè)側(cè)面的中心點(diǎn)處，分別放置百分表測(cè)量試件的橫向位移；試件的縱向位移從壓力機(jī)上讀取.應(yīng)變片及百分表分布見(jiàn)圖2.

圖2 應(yīng)變片及百分表分布

2)試驗(yàn)過(guò)程.在正式試驗(yàn)之前先進(jìn)行預(yù)加載，檢查16 個(gè)應(yīng)變片的受力情況，任意2 個(gè)應(yīng)變片受力數(shù)據(jù)的差值在5%之內(nèi)，最后將16 個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)記錄在表格中.試驗(yàn)中，液壓機(jī)的加載速率為0.3～0.5 kN/s，以每級(jí)荷載梯度為20 kN 進(jìn)行加載，每完成一級(jí)加載需等待1 分鐘左右，使木柱傳力分布均勻.位移計(jì)穩(wěn)定后，記錄電阻應(yīng)變儀上的應(yīng)變數(shù)據(jù)和位移計(jì)上的數(shù)據(jù).

3)試驗(yàn)注意事項(xiàng).木柱表面不平整將導(dǎo)致木柱受力不均勻，造成剪力過(guò)大而將試件破壞，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行.因此，在進(jìn)行試驗(yàn)前，需對(duì)木柱上、下表面進(jìn)行打磨處理，以保證其水平.另外，為保證木柱軸心受壓，木柱截面中心、壓力機(jī)球鉸中心及壓力機(jī)中線(xiàn)需保持在同一縱向軸線(xiàn)上.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

3 根膠合木柱軸心受壓破壞形態(tài)見(jiàn)圖 3.試驗(yàn)過(guò)程中，木柱B-1 在加載至600 kN 能夠聽(tīng)到細(xì)微響聲；加載至780 kN 時(shí)出現(xiàn)明顯的劈裂聲，木柱上部出現(xiàn)細(xì)微橫向和豎向裂縫；繼續(xù)加載至840～880 kN 時(shí)連續(xù)發(fā)出明顯的劈裂聲，且橫向裂縫繼續(xù)增大；加載至960～980 kN 時(shí)出現(xiàn)較大的響聲，橫向和縱向裂縫都繼續(xù)增大；加載至1 000 kN時(shí)位移突增，木柱中上出現(xiàn)較大裂縫，并發(fā)生材料破壞.木柱B-2加載至660 kN時(shí)出現(xiàn)橫向裂縫，加載至860～920 kN 時(shí)橫向裂縫持續(xù)增大；加載至1 010 kN 時(shí)聽(tīng)到較大的劈裂聲，發(fā)生材料破壞.木柱B-3 加載至860 kN 時(shí)出現(xiàn)較大的橫向裂紋，加載至1 020 kN 時(shí)出現(xiàn)材料破壞.

2.2 極限承載力與應(yīng)力應(yīng)變

根據(jù)膠合木柱破壞試驗(yàn)，可得3 根試件的抗壓極限承載力及對(duì)應(yīng)的軸壓極限應(yīng)力應(yīng)變，結(jié)果見(jiàn)表1.其中，N peak 為試件軸壓極限承載力；σ 為試件軸壓極限應(yīng)力； εpeak為試件軸壓極限應(yīng)變.

表1 試件極限承載力與對(duì)應(yīng)的軸壓極限應(yīng)力應(yīng)變

2.3 試件受壓荷載-應(yīng)變關(guān)系

對(duì)3 根膠合木柱試件進(jìn)行受壓試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可得到荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4 所示.由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在受壓的整個(gè)過(guò)程中3 根膠合木柱受壓應(yīng)變變化趨勢(shì)相近，膠合木柱荷載-應(yīng)變關(guān)系圖可分為3 個(gè)階段.

1)彈性階段.當(dāng)壓應(yīng)力小于極限應(yīng)力 80%左右時(shí)，膠合木柱受壓變化規(guī)律符合胡克定律，處于彈性工作階段，即隨著壓應(yīng)力的增大，木材本身內(nèi)部纖維的空隙逐步壓緊，管狀細(xì)胞發(fā)生微小變形，此時(shí)荷載-應(yīng)變關(guān)系成線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力的80%時(shí)，伴隨有木柱內(nèi)部纖維擠壓的細(xì)小聲音.

2)彈塑性階段.當(dāng)壓應(yīng)力大于極限應(yīng)力 80%左右時(shí)，曲線(xiàn)的斜率不斷變小，由線(xiàn)性關(guān)系變?yōu)榉蔷€(xiàn)性關(guān)系.此時(shí)木材壓縮變形幅度不斷增大，管狀細(xì)胞被逐步壓潰，內(nèi)部裂縫不斷延伸，開(kāi)始聽(tīng)到木材發(fā)生劈裂的響聲，并隨著壓力的增大聲音越來(lái)越大；當(dāng)達(dá)到極限承載能力時(shí)，曲線(xiàn)斜率等于零，同時(shí)膠合木柱發(fā)生破壞并出現(xiàn)橫向和縱向裂縫.

3)塑性階段.當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到峰值后，膠合木柱強(qiáng)度并沒(méi)有完全消失，隨著變形的增加，應(yīng)力開(kāi)始不斷減小.膠合木柱B-1、B-2、B-3 的極限承載力相差不大，變化幅度均在 5%以?xún)?nèi)；其受壓應(yīng)變變化趨勢(shì)基本相同，極限承載力達(dá)到80%左右才出現(xiàn)明顯彈塑性，沒(méi)有明顯的破壞特征.

2.4 試件受壓荷載-位移關(guān)系

膠合木柱的荷載-橫向位移曲線(xiàn)和荷載-豎向位移關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖5 和圖6 所示.

圖4 荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 荷載-橫向位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 荷載-豎向位移關(guān)系曲線(xiàn)

由圖5 可以看出，在剛加載時(shí)試件主要受到壓應(yīng)力作用，處于彈性階段，橫向位移幾乎不發(fā)生變化；隨著壓力增大，開(kāi)始發(fā)生彈性變形，橫向位移均勻變化但變化緩慢.進(jìn)入彈塑性階段后，橫向位移明顯增大，當(dāng)橫向位移達(dá)到 2～2.5 mm時(shí)，試件開(kāi)始出現(xiàn)大幅度破壞，進(jìn)入塑性階段.

由圖6 可以看出，膠合木柱在初始受壓時(shí)發(fā)生的豎向位移變形比較大，這是由于膠合木柱在試驗(yàn)前預(yù)壓不足，木方膠接處存在空隙，加壓時(shí)發(fā)生壓縮變形等原因造成的.隨后豎向位移經(jīng)歷了3 個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.不考慮預(yù)試驗(yàn)前段的變形位移，彈性階段豎向位移基本上均勻增加；當(dāng)加載到極限荷載的80%時(shí)，膠合木柱開(kāi)始發(fā)生不同程度的橫向和縱向破壞；當(dāng)豎向位移達(dá)到7.59 mm 左右時(shí)，若繼續(xù)加載，則豎向位移會(huì)突增.

2.5 承載能力穩(wěn)定系數(shù)

以3 根膠合杉木短柱軸壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為承載能力穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算依據(jù)，根據(jù) GB50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[19]，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

其中，1φ 為試驗(yàn)穩(wěn)定系數(shù)值；Npeak為試件的穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值；A 為試件受壓面積； fu為杉木短柱試件抗壓強(qiáng)度.

結(jié)合前文試驗(yàn)所得杉木的強(qiáng)度，按式(2)和式(3)計(jì)算理論穩(wěn)定系數(shù)2φ ：

其中，λ 為試件長(zhǎng)細(xì)比； fck為受壓構(gòu)件材料的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)； Ek為構(gòu)件材料的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)；a c ，bc為材料相關(guān)系數(shù)；β 為材料剪切變形相關(guān)系數(shù).

軸心受壓構(gòu)件理論穩(wěn)定承載力N0按

計(jì)算.實(shí)際穩(wěn)定系數(shù)與理論穩(wěn)定系數(shù)之差所占理論穩(wěn)定系數(shù)的百分比 Δ1，實(shí)際承載力與理論承載力之差所占理論承載力的百分比 Δ2，按

計(jì)算.其中，φ1, φ2, N0, Δ1,Δ2計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 試件受壓性能參數(shù)試驗(yàn)值和理論值

根據(jù) GB50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[19]計(jì)算大小一致的原木柱在相同尺寸下的理論承載力為1 266.1 kN，同時(shí)算得穩(wěn)定系數(shù)為0.95.由表2 可看出，膠合木柱計(jì)算承載力達(dá)到1 159.9 kN，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到0.946，與原木柱理論的承載力相差106.2 kN，而穩(wěn)定系數(shù)基本相等.

3 結(jié)論

1)試件在極限荷載時(shí)均發(fā)生了材料破壞，荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)出彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.木柱豎向變形隨著荷載的不斷增加，前期呈線(xiàn)性變化；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%時(shí)，隨著荷載的增大，進(jìn)入塑性變形階段.

2)試件抗壓承載力平均值為973.3 kN，說(shuō)明小木方膠合后能協(xié)調(diào)發(fā)揮各自的抗壓性能.

3)膠合木柱試件相比理論大小的原木柱極限承載力降低了16.09%，滿(mǎn)足工程要求.