改性速生楊木力學性能研究*

劉慶娟，秦建恒

（山東協和學院，山東 濟南 250109）

社會經濟的飛速發展，造成環境大量污染和勞動力成本迅速提高[1-2]。針對上述問題，國家頒布一系列文件要求大力推廣裝配式建筑，各地都提出了新建建筑裝配化率的目標，并且都提到木結構裝配化的問題。由于中國的森林覆蓋率不高，且近年來，為了保護林區的森林資源，維持完整的生態環境，國內多個林區已逐漸被禁止采伐，尤其以東北大小興安嶺為主的林業濕地，完全被禁止商業采伐，導致中國木材產量明顯減少，難以滿足市場的需求，致使木結構建筑的生產和推廣受到嚴重制約。

速生楊木除本身具有品質優良、生長快、適應性強、抗寒及抗病蟲害能力強、木質輕、易加工、管理粗放等特點外，還具有綠化環境、防風固沙和其經濟效益較好等優點[3-4]。一般而言，速生楊的育林苗木定植后，5年就可以成材，因此大面積營造速生豐產用材具有良好的發展前景。為了更好地利用這一天然資源，有必要以改性速生楊木為研究目標，進行其改性后的試驗研究，掌握改性后速生楊木的基本力學性能規律，進而擴大速生楊木的應用范圍。

1 存在的問題

存在的問題主要如下：①對木結構的認識不足，從社會角度、高校角度、科研院所角度、設計院角度分析，大部分認同的是鋼筋混凝土結構，設計意識淡薄，設計積極性不高。②對相關規范理解不夠深刻，支持不夠。中國木結構規范相對較陳舊，對木結構設計認識不夠，設計院無規范可用，此前，各種規范沖突較明顯，木結構的防火規范限制較大，這些都遏制了木結構的發展。③木結構的企業設計能力薄弱，設計時分析不夠明確。中國現階段木結構企業的設計過程、實驗過程不夠完善，導致設計過程中受力分析不夠明確，套用固定模式的現象嚴重，對構件受力分析過于簡單。

2 研究內容

速生楊木材性基本力學性能的試驗研究。為了能夠全面地了解速生楊木的力學性能，對速生楊木進行順紋抗壓強度、順紋抗拉強度、橫紋抗拉強度、抗彎強度、順紋抗剪強度、彈性模量和含水量的試驗研究，為后面的改性打下基礎。

改性速生楊木（不同厚度和不同紋理）的抗壓強度試驗研究。將速生楊木切割為不同厚度的試件，然后用結構膠進行膠結改性，并分析其力學性能指標，探索合理厚度、強度和價格之間的最合理結合點。同時考慮不同紋理對其基本力學性能的影響，通過試驗研究得到最佳紋理的粘接方式，為后面的進一步改性提供基礎。試驗過程中，觀察改性前后的抗壓強度，確定不同厚度及不同紋理方向的速生楊木膠結構件力學性能。

碳纖維改性速生楊木的強度試驗研究。根據前面的試驗結果，考慮碳纖維布的不同紋理方向、不同配纖率、不同位置對改性速生楊木的力學性能的影響變化規律，得到其基本力學性能的變化規律，確定不同配纖率和配纖位置下速生楊木膠結構件力學性能并進行縮尺柱和梁的受力性能試驗研究。

鋼板改性速生楊木的強度試驗研究。根據前面的試驗結果，考慮鋼板的不同寬度、不同配鋼率和不同位置對改性速生楊木的力學性能的影響變化規律，得到其基本力學性能的變化規律。確定不同配鋼量及不同位置下速生楊木的力學性能，并進行縮尺柱和梁的受力性能試驗研究。

結構體系的優選及構造研究。根據前面研究結果，選取合理經濟的改性楊木形式，比較最優設計方案并研究構造節點的連結方式，通過對梁柱體系和剪力墻體系進行研究分析，并對其力學性能進行評判。

速生楊木加工圖如圖1 所示。改性速生楊木應力應變曲線如圖2 所示。

圖1 速生楊木加工圖

圖2 改性速生楊木應力-應變曲線圖

3 關鍵技術

3.1 材料改性技術

首先，在研究速生楊木原木性能的基礎上將速生楊木切割為不同厚度的試件，然后用結構膠進行膠結改性，對不同厚度和不同紋理改性速生楊木的抗壓強度進行試驗研究并分析其力學性能指標，探索合理厚度、強度和價格之間的最合理結合點。其次，考慮碳纖維布的不同紋理方向、不同配纖率、不同位置對改性速生楊木的力學性能的影響變化規律，得到其基本力學性能的變化規律。最后，考慮鋼板的不同寬度、不同配鋼率和不同位置對改性速生楊木的力學性能的影響變化規律，得到其基本力學性能的變化規律；確定碳纖維和鋼板對速生楊木的最優配置方式。

3.2 構件改性技術

現代裝配式木結構研究主要分為柱、梁、板、構造節點等部分。首先針對縮尺柱采用結構膠、碳纖維布、鋼板不同加固形式下分析其力學性能，得到為滿足結構安全性能需求速生楊木改性構件的經濟合理的組合方式。其次，對不同結構形式短柱在結構膠和鋼板的影響下的力學變化規律。最后，針對不同改性技術的梁進行力學分析，得到相應的力學規律和最優的改性技術方案。

3.3 結構體系和梁柱節點的構造技術

選取該種改性木材下的最優設計方案、結構體系，并在梁柱節點等連接技術進行改進，為改性速生楊木構件設計木結構設計提供基礎。

4 發展趨勢

中國木結構在初期發展階段主要發展趨勢如下：①發展綠色建筑、裝配式建筑、節能環保性建筑將是未來發展的方向。②該建筑體系將大量應用于特色建筑群、個性化建筑、文化旅游類項目。③展示型建筑、旅游度假村等將會有大量應用，可以展示高端大氣、高品質生活。④在宗教文化建筑及傳統文化建筑方面占有不可替代的作用。⑤將在建筑工業化中得到大量的應用。推進裝配式建筑的過程中木結構的發展是一個契機，未來在裝配式工業化的道路上將會有大量的應用。⑥在大跨度建筑中得到應用和推廣。

5 應用前景

如今中國經濟發展突飛猛進，工業化建設步伐也日益加快，中國的生態建設也是一路高歌猛進，使得人們對資源的需求更是逐年增多。在建筑領域，各種材料的需求也是不斷增加。人們逐漸意識到傳統的材料——木材，更符合21 世紀新的環境與材料相協調發展的趨勢，更符合綠色可持續發展的要求。

由此可預見，在現代新型城鎮化建設與高端社區別墅建設中木材資源將備受民眾喜愛，成為高端產品。歸其主要原因，則是木材在建筑領域具有突出的優越性能，具體有以下幾點：①綠色環保。木材是綠色的可再生資源，木結構房屋也是環保趨勢。木質產品無異味，無有毒有害氣體，作為建筑材料也滿足健康環保要求。②結構安全。木結構產品結構性能優越，在周期性疲勞破壞與瞬間沖擊荷載中具有良好的延性，并且強度剛度大。相對于鋼筋混凝土結構具有自重輕、延性好、在地震荷載作用下穩定性突出。例如，日本在地震多發區沿海區房屋建筑多為木結構。③保濕保溫。木材細胞壁較稀松，細胞組織獨特，與空氣中的水分子反應較大，具有自吸濕與解吸功能，與周圍環境融合較為密切，對室內溫度濕度變化較敏感，能起到保溫保濕效果。④設計多樣。木制品施工簡單，選擇多樣，對房型設計適應性強，可達到個性突出、靈活多變的設計效果。

隨著中國對木質建筑的重視和政策上的引導以及人們回歸自然的心態，一定會促使木質資源在中國得到廣泛應用。