木結(jié)構(gòu)組合板蒙皮效應研究

王衛(wèi)鋒，崔楠楠，顏全勝，黃仕平，朱競翔，夏珩

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510640;2.香港中文大學建筑學院，香港)

木結(jié)構(gòu)具有資源再生、綠色環(huán)保、建造方便、自重較小、抗震及耐久性能好等眾多優(yōu)點，在北美、歐洲等地大量應用于住宅建筑和公用建筑中。木材在我國古代曾是一種主要的建筑材料，近現(xiàn)代以來逐漸被混凝土、鋼材等取代。與其他材料結(jié)構(gòu)相比，木結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，具有較好的抗震性能，其多次超靜定結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向力作用下具有極好的延性［1-2］。近年來，木材因其優(yōu)秀的抗震性能，重新引起研究者的關(guān)注。

木材是受保護能源，如何在保證強度和剛度的前提下節(jié)省材料是值得研究的問題。蒙皮這一結(jié)構(gòu)概念來源于汽車、飛機及船舶行業(yè)，蒙皮效應是指在主體結(jié)構(gòu)物表面覆蓋殼面，使結(jié)構(gòu)的剛度和強度加強，設(shè)計中考慮蒙皮效應能減少用材量［3-8］。在建筑業(yè)中，我國僅對輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應進行了初步探討［3，6］，對于木結(jié)構(gòu)蒙皮效應的研究還是空白。本文將對一種新型木結(jié)構(gòu)組合板進行試驗研究，分析蒙皮對結(jié)構(gòu)力學性能的影響，為節(jié)約用材、減輕自重拓展新思路，并對實際工程中蒙皮的設(shè)計提供有益的參考。

1 試驗方案

1.1 試件概況

試驗所用新型木結(jié)構(gòu)組合板如圖1所示。組合板尺寸為1 800 mm×1 245 mm，主體結(jié)構(gòu)由3根縱梁(40 mm ×25 mm)、10 根橫梁(50 mm ×20 mm)、3根橫梁(100 mm×20 mm)組成。3根縱梁之間填充輕質(zhì)泡沫，上層橫梁之上覆蓋3 mm厚的蒙皮木板，下層橫梁之下覆蓋9 mm厚的石膏板和3 mm厚的蒙皮木板。縱梁、橫梁和蒙皮板之間為鉚釘連接。

圖1 組合板結(jié)構(gòu)Fig.1 The layout of the composite timber structure

為研究蒙皮效應對結(jié)構(gòu)力學性能的影響，試驗試件分為2組:A組為如圖1所示的標準組合板，B組為去掉蒙皮板和石膏板之后的主體結(jié)構(gòu)(僅有橫梁縱梁和填充泡沫)。2組試件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test structures

用重10 kg標準加載塊進行加載，近似模擬組合板所受的均布荷載，如圖3所示。正式試驗前，先進行預載，以檢查各儀表、傳感器工作情況，消除各種非線性初始影響。A組帶蒙皮組合板試驗最大設(shè)計荷載為3 kN(均布荷載約1.35 kN/m2)，分20%、40%、60%、80%、100%共5級加載，加至最大荷載后，以同樣的荷載級分5級卸載至0，然后做破壞試驗。B組未蒙皮組合板試驗最大設(shè)計荷載為1.6 kN(均布荷載約為0.71 kN/m2)，分25%、50%、75%、100% 共4級加載，以同樣的荷載級分4級卸載至0，然后做破壞試驗。為測試結(jié)構(gòu)的強度和剛度，在關(guān)鍵部位進行豎向撓度和應變的測量，測點布置如圖4所示。試件的豎向撓度由百分表測量，應變由鋼弦傳感器測量，用TDS303靜態(tài)應變儀采集數(shù)據(jù)。

圖3 帶蒙皮組合板結(jié)構(gòu)加載圖Fig.3 The loading test for composite timber structure with skin plate

圖4 測點布置圖Fig.4 The location of the measure points

2 有限元模型數(shù)值結(jié)果

有限元計算的結(jié)果可以作為試驗設(shè)計的依據(jù)，同時通過試驗數(shù)據(jù)亦可反觀其可靠性，因此有限元計算對試驗與分析都具有重要意義［9-12］。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS對試驗過程進行數(shù)值模擬。模型采用三維8節(jié)點實體單元SOLID 45模擬縱橫梁和蒙皮板，因石膏板和填充泡沫彈性模量遠小于木材，其剛度貢獻有限，因此忽略二者的影響?？v橫梁和蒙皮板主要在縱紋方向受力，將木材等效為各向同性的勻質(zhì)材料，根據(jù)文獻［10］，取順紋方向的彈性模量10 000 MPa，泊松比0.03。橫梁與蒙皮板的釘連接采用矩陣單元MATRIX27模擬，根據(jù)文獻［13］，釘連接的豎向剛度取1 000 kN/m，橫向剛度200 kN/m。模型支撐方式為單向簡支，本文僅進行彈性分析。為確保分析準確，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行了精細劃分:其中帶蒙皮組合板模型共147 903節(jié)點，471 814單元;未帶蒙皮板模型共50 677節(jié)點，181 814單元。最大荷載下A、B組撓度和應力云圖如圖5所示。

圖5 最大荷載下A、B組撓度和應力云圖Fig.5 The finite element analysis results for A and B groups under maximum loads

3 試驗與有限元計算結(jié)果對比分析

3.1 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出荷載-撓度曲線以及荷載-應力曲線，如圖6所示。從圖中可以看到，帶蒙皮組合板具有較好的剛度和強度。《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［14］對強度和剛度的取值如下:對強度取值為(TC15等級)15 MPa，剛度取值為L/250(L為板的跨徑，按照試驗支撐方式，除去支座，計算跨徑取1 700 mm，即對組合板的允許撓度為6.8 mm)。撓度測點(A～E)和應力測點(1～4)均隨荷載增大而增大。對照試驗所得的荷載-撓度曲線，帶蒙皮組合板設(shè)計均布荷載可取為0.62 kN/m2左右(圖6(a)跨中撓度E點撓度達到6.8 mm所對應的均布荷載值);未蒙皮組合板設(shè)計均布荷載可取為0.24 kN/m2左右(圖6(c)跨中撓度E點撓度達到6.8 mm所對應的均布荷載值)。根據(jù)荷載-應力曲線，帶蒙皮組合板設(shè)計均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右(圖6(b)近跨中2、4測點應力達到15 MPa所對應的均布荷載值);未蒙皮組合板設(shè)計均布荷載可以取為0.55 kN/m2左右(圖6(d)近跨中2、4測點應力達到15 MPa所對應的均布荷載值)。由此可見，帶蒙皮組合板的剛度和強度比未蒙皮組合板均有較大的提高，分別提高了167%和64%。圖6(e)～(f)分別對2組構(gòu)件撓度(E點)和應力(4測點)做了對比，同樣可以看出帶蒙皮組合板有較大的增強作用。

圖6 試驗結(jié)果曲線圖Fig.6 The curves of the experimental results

此外，對比蒙皮組合板和未蒙皮組合板的荷載-撓度曲線和荷載-應力曲線，可以發(fā)現(xiàn)未蒙皮組合板測點的撓度和應力在卸載后基本回到加載前的零點，而帶蒙皮組合板的撓度和應力在卸載后并未回到零點，有所剩余。原因可能有2個:1)蒙皮板和主體結(jié)構(gòu)鉚釘連接不夠牢固，在加載過程中出現(xiàn)松動從而引起錯位;2)蒙皮板處于上下層邊緣，容易進入塑性狀態(tài)。

組合板在破壞時出現(xiàn)較大變形，為避免測量儀器損壞，破壞試驗時未測量應力和撓度，僅獲得其極限荷載。A組在加至2倍試驗荷載6 kN(均布荷載約2.7 kN/m2)時仍未發(fā)生破壞，但已出現(xiàn)較大撓度，考慮試驗人員安全，終止試驗。B組在3.8 kN(均布荷載約1.7 kN/m2)發(fā)生破壞，板在跨中被拉斷。因此帶蒙皮組合板的極限荷載至少為未蒙皮板組合板的1.6倍。

3.2 試驗結(jié)果與有限元計算對比

有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖7。

圖7 試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果比較圖Fig.7 The comparison between the experiment and the simulation

圖7(a)、(b)分別對A組跨中(E測點)撓度和近跨中(4測點)的應力與有限元結(jié)果進行對比，吻合度較好。同樣，圖7(c)、(d)分別對B組跨中(E測點)撓度及近跨中(4測點)的應力和有限元結(jié)果進行對比，亦有較好的吻合度。由此可見，建立的有限元模型可以較為準確地反映組合板的受力性能，可用于這類組合板的進一步參數(shù)分析。

4 材料節(jié)約量計算

為了計算蒙皮效應所帶來的材料節(jié)約量，本文利用有限元計算軟件，將蒙皮組合板等效為面積相同的單一材料木板。等效分2種方式進行:

1)剛度等效:在試驗最大荷載下(1.35 kN/m2)，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中撓度，等效的木板厚度為22 mm。

2)強度等效:在試驗最大荷載下，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中最大應力，等效的木板厚度為12 mm。

等效的結(jié)果表明，當同時滿足剛度和強度要求時，帶蒙皮組合板的木材使用量為0.039 m3，單一材料木板的用量為0.049 m3。由此可見，此種新型的木結(jié)構(gòu)組合板可以節(jié)約20%的材料。

5 結(jié)論

1)根據(jù)試驗得出的帶蒙皮組合板的設(shè)計荷載，對照荷載-撓度曲線，設(shè)計均布荷載可取為0.62 kN/m2左右;根據(jù)荷載-應力曲線，設(shè)計均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右，因此，設(shè)計荷載可取0.62 kN/m2。極限強度(破壞荷載)可達2.7 kN/m2以上。

2)帶蒙皮組合板比未蒙皮組合板在剛度和強度均有較大的增強作用，分別提高了167%和64%。此外，試驗表明，帶蒙皮組合板的極限荷載為未蒙皮板組合板的1.6 倍。

3)有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，說明建立的有限元模型可以較準確地反映組合板的受力性能，因此，有限元模型可用于這類組合板的進一步參數(shù)分析。

4)有限元計算表明，在同時滿足剛度和強度要求的情況下，相較單一材料木板，帶蒙皮組合板可以節(jié)約20%的材料。

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