木質工字梁腹板厚度的設計和應用

任雪瑩

摘 要

本文從木質工字梁的使用背景出發，簡要從抗剪能力及蠕變能力方面分別闡述了木質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

木質重組型材料作為一種利用可再生資源的可持續發展林產品，在結構設計中使用越來越廣泛。其中，預制重組木質工字梁就是一種資源高效利用的現代木質建筑材料。

由于木質工字梁主要應用于木結構的屋頂，地板的桁架和擱柵系統，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向力作用時，若腹板的厚度設計不合理則容易發生變形，產生腹板失穩問題，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容。

1 木質工字梁對腹板的基本要求

木質工字梁在木結構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為幾種木質人造板蠕變性能試驗結果對比。[3]

其次，對木質工程建筑構件來看，工字梁的結構對工字梁的蠕變也有影響。在1998年，chenetal得出結論，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范和經濟指標的約束，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，內結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，但未發現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。根據經驗得知，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

在木質工字梁早期使用時，腹板的材料曾經使用過實木板。但由于工程構件對材料的材質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點。它是對天然木材各向異性的改造，強調的是各向同性。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構用材的一種限制，[7]予以考慮。

3.1.4 刨花板

刨花板是一種主要的結構用板材，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。經過竹大片刨花板常規力學性能的測試，可知竹大片刨花板的靜曲強度和彈性模量優于木質大片刨花板，[8]所以可以用作木質工字梁的腹板材料來使用。

3.2 腹板應滿足的基本性能

IJ在使用過程中發生的破壞現象有翼緣的扭曲變形、腹板的潰敗、腹板戳穿翼緣和側向擺動。根據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

根據研究結果表明：[8]高厚比大于20時，腹板厚度與壓板臨界失穩強度呈正相關關系，但高厚比為30的壓板臨界失穩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結合破壞為主（因為厚板芯層的內結合強度往往低于薄板的內結合強度）。

4 總結

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

參考文獻

[1]申宗圻.木材學[M].北京：中國林業出版社，1990.

[2]王逢瑚.木質材料流變學[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2005.

[3]劉一星，王蓬瑚.木質建材手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

[4]岳孔等.木質材料蠕變研究進展[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]張蘇俊.復合材料作為建筑結構用材的應用[J].林業機械與木工設備，2003.

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

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