落葉松結構集成材承載性能足尺檢測與特性評價*

毛　磊　趙思淼　李晨琦　王　齊　白　雪　趙　丹

（黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱　150081）

落葉松結構集成材承載性能足尺檢測與特性評價*

毛磊趙思淼李晨琦王齊白雪趙丹**

（黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱150081）

針對我國尚無結構集成材足尺檢測基礎數據的現狀，重點開展足尺材料測試和評價研究。研究以普遍應用的落葉松集成材為對象，按GB/T26899-2011《結構用集成材》國家標準對3種國際通用規格的結構集成材進行足尺承載特性測試。依據檢測結果，按美國ASTM D2915-10《結構用木材和木質產品抽樣和數據分析標準》規定的非參數法和參數法統計分析方式，確立了落葉松集成材抗彎彈性模量（MOE）和抗彎強度（MOR）的特征值數據及正態分布、對數分布和威布爾分布下的擬合優度；確定了各規格結構集成材MOE、MOR的變化趨勢。針對不同組別之間MOE及MOR的尺寸效應，利用回歸分析方法確立了MOE和MOR的關系；初步確定了結構用集成材的特征值和承載特性的評價方式，為國產樹種結構集成材的設計和應用提供了重要的理論支撐。

結構集成材；承載性能；足尺檢測；性能評價

隨著木結構工藝的飛速發展，結構集成材的應用越來越普遍，發達國家的木結構產品相繼涌入我國。對非均質結構材料承載特性的科學評價不僅關乎人身安全，也是結構設計的重要依據。歐美發達國家木結構的應用已經非常普遍，并建立了結構用工程木質復合材料強度性質的測試方法和評價體系；我國針對新型結構材料的研究尚處起步階段，結構承載性能特征值和設計參考值多根據無疵小試樣測試值推算，由于沒有可靠的實測依據，木結構建筑在國內建筑設計主管部門不予驗收。結構集成材作為工程木質復合材料的重要組成部分，其足尺性能檢測及承載特性的科學評價，可為建筑設計部門提供科學實測的承載特性基礎數據，從而推動整個木結構在我國建筑行業的應用和發展［1-2］。

1　材料及測試方式

1.1材料及分組

試驗采用3種國際通用規格的興安落葉松結構集成材，依據美國ASTM標準規定的最低測試樣本容量［3］，3種足尺試材各28根，加工地為大興安嶺神州北極木業宜家分公司。3種試材分別為同厚試件（編號TH、層板理論厚度38 mm、集成層數5層），斷面尺寸為140 mm×192 mm；對稱異等試件（編號DY，集成層數5層，選擇彈性模量不等的材料集成），斷面尺寸為130 mm×192 mm；同寬試件（編號TK，集成層數3層），斷面尺寸為130mm× 115 mm，3種試件的長度均為4 000 mm［4］。

1.2測試方式

按GB/T26899-2011的規定，雙壓頭兩點加載，壓頭間距為試材厚度的4倍，支點距離為試材厚度的18倍，加載速度為10 mm/min，加載至試樣破壞，記錄最大載荷。TH和DY試件采用垂直加載，TK試件采用平行加載［5］。

2　結果與分析

結構用集成材與其他工程木質復合材料強度特性評價標準一樣，均以其力學性能的特征值來體現。經測試試驗和對試驗數據計算得到的統計值，稱為試件特征值。材料的強度特征值通常是指標準狀態下，材料強度的平均值、中值和75%置信度下5%分位值的下限值，確定特征值是將測試結果轉換成設計值應用到實際生產的一個關鍵環節［6］。美國ASTM標準規定，將木質結構材料抗彎彈性模量的平均值作為其特征值，非參數的5%分位值作為參考特征值；而將75%置信度下5%分位值的下限值作為抗彎強度等強度特性的特征值。特征值的計算方法可由參數法和非參數法計算得到。標準推薦選用非參數法計算作為結構用材料強度的特征值，同時也強調了參數法的重要性［7］。

2.1基礎數據

根據試驗，獲得足尺試件的力學性能測試數據，并由此計算得出各組試件的統計描述。

從表1中可以看出，數據的離散度較小，平均值的代表性較好。符合正常的結構材指標要求。

表1　結構用集成材MOR和MOE的統計結果

2.2抗彎彈性模量特征值的估計

2.2.1抗彎彈性模量特征值

以結構性木材抗彎彈性模量的平均值為特征值。彈性模量的值用于可靠度計算為樣本均值時，為確保參數估計的精度，抗彎彈性模量的均值特征值估計所需樣本數需滿足公式ts/）≤λ的要求，其中λ值為已知，通常會在0.01～0.10之間。查表可知，75%置信區間t值為1.175，測試值符合要求。所以，結構用集成材MOE特征值為MOETH= 16097MPa；MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa。

2.2.2抗彎彈性模量測試結果

通常僅以正態分布來描述抗彎彈性模量，而不考慮其它分布模型。由圖1也可以看出，抗彎彈性模量的概率分布較對稱，采用正態分布描述其分布能夠滿足精度要求，且AD檢驗結果分別為ADTH=0.169，ADDY=0.156，ADTK=0.245，數值服從正態分布的要求。

圖1　試件（TH、DY、TK）MOE概率密度曲線

2.3抗彎強度特征值的估計

2.3.1非參數法估計特征值

為了確保樣本數量接近最小屬性值，采用非參數法根據次序統計量確定非參數法的特征值（非參數公差極限NTL）；同時使用非參數百分點估計值（NPE）對特征值進行檢驗，提供合理的樣品數量作為其次接近最小值的選項。

根據標準要求，通常以非參數估計得到的75%置信度下5%分位值的下限值，作為MOR特征值。百分點估計值（NPE）根據公式（1）可計算得出。落葉松結構用集成材MOR的估計特征值見表2，且需滿足（NPE－NTL）/NPE＜δ，其中δ的范圍通常在0.01～0.10之間）。3組數據得出的結果分別為 0.06、0.006、0.035，數值均＜δ，滿足95%置信度要求。采樣數量及特征值符合要求，可以采用NTL值作為總體MOR特征值的最佳推算數。

表2　結構用集成材MOR非參數估計特征值MPa

2.3.2參數法估計特征值

選用參數估計法計算強度特征值，需驗證所選分布模型的適用性［8］。以試驗測試強度數據為樣本，繪制MOR概率密度直方圖，并將其分別與標準正態分布、對數分布、威布爾分布進行擬合（圖2）。

圖2　試件（TH、DY、TK）MOR概率密度曲線

由圖2的概率密度曲線可以看出，除第1組TH試件外，另外2組數據3種分布形式差別不大，所以再次通過數據的似然函數值檢驗模型的擬合程度（表3）。

表3　對數似然值對MOR數據擬合度分析

表3中的結果與概率密度曲線的結果基本一致，可以說明，試件TH與威布爾分布及正態分布擬合度較好，DY和TK試件與3種分布形式擬合優度值接近。由于威布爾分布形式僅在樣本值較大的情況下其分布形式才較為精確，所以可在后續試驗中進一步對此結果進行驗證。

參數統計法的特征值也可以根據75%置信度下5%分位值的下限值（即參數公差極限，PTL）作為特征值，根據公式并用參數點估計值（PPE，一般為5%點估計）作為參考值。在分布模型數據基礎上，對不同分布形式的特征值及基礎數據進行計算，結果（表4）顯示，3組數據的特征值與非參數估計結果比較，正態分布的結果最為接近，尤其是TK試件的數值基本一致。

表4　結構用集成材MOR參數統計特征值

2.4不同組別之間MOE及MOR的關系對比

為了比較不同集成方式結構用集成材MOE、MOR的變化趨勢，通過散點圖重新升序排列，分別比較3組數據MOE和MOR的變化規律。由圖3可以看出，同厚試件（TH）的MOE值明顯優于其他2組數據，而對稱異等試件（DY）和同厚試件（TK）兩者變化規律基本一致。根據圖4顯示說明，3組數據的MOR值差別不大。

圖3　試件（TH、DY、TK）MOE散點圖

由此說明，結構用集成材厚度相同時，寬度越大，MOE值越大，但MOR趨勢不夠顯著；而寬度相同、厚度不同時，采用垂直的加壓方式（TK試件），MOE變化趨勢一致，MOR值優于平行加壓的試件（DY試件），甚至在一定程度上超過TH試件。為了更好地將其應用于實際結構設計中，后續還可針對其他性能進行測試。而由于結構用集成材作為集成梁使用時，抗彎強度是其主要承載壓力，采用厚度方向平行集成柱的結構形式，在保證其較好的結構性能基礎上，可以大量節約木材，減輕自重，優化了結構形式。

圖4　試件（TH、DY、TK）MOR散點圖

2.5落葉松結構用集成材MOE與MOR的關系

為了今后實現無損檢測的目的，可以通過結構用集成材的抗彎彈性模量來預測其強度指標。采用回歸分析的方法，以抗彎強度為因變量，抗彎彈性模量為自變量，建立MOE指標與MOR指標兩者之間的關系。

根據方差分析結果，分別得出3組數據的相關性方程，其中，TH試件的相關性方程為MOR= 0.007 2MOE-31.06，決定系數為0.37；DY試件的相關性方程為MOR=0.007 0MOE-18.34，決定系數為 0.50；TK試件的相關性方程為 MOR= 0.011 3MOE-69.22，決定系數為0.46。3組數據的F值分別為 FTH=11.59，FDY=25.5，FTK=21.71，均大于 F0.01=7.72，試驗結果顯著，擬合程度較好（決定系數值稍低，是因為足尺測試中試件自身缺陷對測試結果的影響較大）。通過對原始數據分析，TH試件的決定系數較低的原因，是由于TH試件自身存在缺陷較多所致。方差分析結果表明，兩者之間存在一定程度的線性關系。

3　結　論

3.1試驗結果表明，落葉松結構集成材試件基礎數據的離散度較小，平均值的代表性較好，符合結構用集成材基礎參數指標的要求。

3.2數據分別采用非參數法和參數法進行分析，得出彈性模量的特征值為 MOETH=16 097 MPa； MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa，整體符合正態分布要求。抗彎強度非參數特征值為MORTH= 58.75 MPa，MORDY=54.27 MPa，MORTK=47.25 MPa；參數法中正態分布特征值分別為MORTH=66.61MPa，MORDY=52.75 MPa，MORTK=47.2 MPa。對數正態分布特征值為MORTH=67 MPa，MORDY=55 MPa，MORTK= 51.55 MPa；正態分布特征值與非參數法特征值較為接近。

3.3用參數法分析數據時，利用似然值對其進行擬合度檢驗，結果為：TH試件與威布爾分布擬合較好；DY、TK試件與3種分布形式擬合度基本一致，正態分布擬合度相對較好。

3.4通過對不同組別之間MOE及MOR的關系對比，3組試件中TH試件的MOE值最高，說明厚度相同時，寬度越大，MOE值越大；寬度相同、厚度不同時，垂直加壓方式MOR值較大。

3.5在3組測試數據中，MOE與MOR之間存在一定的線性關系，決定系數分別為0.37、0.50、0.46。

［1］任海青等.輕型木結構房屋用杉木規格材機械應力分等研究［J］.建筑材料學，2010，13（8）:20-22.

［2］J D Barrett，W I.AU.Canadian I.umber Properties［M］.Ottawa：Canadian Wood Council，1994：275-279.

［3］賈俊平.統計學［M］.北京：中國人民大學出版社，2003.

［4］郝金城.集成材制造技術［M］.哈爾濱：東北林業大學出版社，2001.

［5］國家標準化委員會.結構用集成材中華人民共和國國家標準GB/T26899-2011［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［6］欒軍.試驗設計的技術與方法［M］.上海：交通大學出版社，1987.

［7］ASTM.D2915-10.Standard practice for evaluating allowable properties for grades ofstructural lumber［S］.America，2013.

［8］趙秀.興安落葉松規格材強度性質的基礎研究［D］.北京：中國林業科學研究院，2010.

第1作者簡介：毛磊（1982-），女，碩士，工程師。

（責任編輯：潘啟英）

Full-scale Testing and Characteristic Evaluation for the Loading Performance of Larch Structural Glued Laminated Timber

MAOLei
（Heilongjiang Institute of Wood Science，Harbin150081）

Considered lacking of the based data to take the full-scale test on Glued laminated Timber in China，a program aim to test and access the material treatment process has been carried out emphatically.The study focuses on the subject of larch structural glued laminated timber and refers to the standard of GB/T26899-2011"Structural Glued laminated Timber"taking the test of loading performance by three General specifications which have the full-scale.According to American Society for Testing and Material Standards（ASTM）D2915-10"Standard Practice for Sampling and Data-Analysis for Structural Wood and Wood-Based Products"，we analysis our experiment results for Non-parametric and parametric method；confirms the characteristic values of MOE and MOR，and establishes the goodness fit of mechanical properties fitting to normal，lognormal and Weibull distribution；determines the variation trend of MOE and MOR；According to the difference of size parameter，we confirms the relationship between MOE and MOR by the method of regression analysis.We determines the characteristic values and assessment format of loading performance for the timber preliminarily，provides an important theoretical support for our own design and application.

Structural glued laminated timber；Loading performance；Full-scale testing；Characteristic evaluation

S791.222，TS653.4，S781.6

A

1001-9499（2016）04-0069-05

*國家林業公益性行業專項“工程木質復合材料結構承載性能檢測技術研究”（201304514）

趙丹（1962-），男，碩士，研究員。

2016-06-29