木結構工字梁的優化設計研究

李軍偉 云建輝

摘要：? 對木結構工字梁結構進行優化設計，并對木結構工字梁的規格尺寸及主要技術指標進行測試。研究結果表明：經優化設計后，木結構工字梁具有卓越的物理力學性能，能夠滿足使用相關性能的要求;木結構工字梁作為替代實木梁的木建筑構件，具有其突出的自身優勢，木結構工字梁比實木梁具有更高的強度、剛度、尺寸穩定性，具有更大的跨度能力以及更小發生幾率的翹曲、扭曲和劈裂，有更低的伸縮率。

關鍵詞：? 木結構工字梁;? 優化設計;? 技術指標

中圖分類號：? ?S 781. 2， TU 531. 2? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2019）02 - 0031 - 03

木結構工字梁是用林木速生材或小徑材為原料的板材或木質復合材料等作為翼緣，以木質結構板材作為腹板，通過使用耐久性能優良的冷固性膠粘劑膠合而成的木質結構梁，在木結構建筑中稱為工字擱柵。木結構工字梁具有卓越的物理力學性能，它使用了具有一定力學強度的單板層積材，通過優化結構設計，使得木結構工字梁具有更加均一的性能、連續的尺寸和密度。由于木結構工字梁可以根據翼緣的尺寸設計出不同的跨度，因而有更多的選擇性和更大的靈活性。木結構工字梁由于翼緣和腹板使用了不同的木質復合材料，其重量要比實木工字梁輕便，更容易運輸、裝卸，減少了勞動力，節省成本。木結構工字梁結構堅實、質均且重量輕，在輕型木結構建筑中能夠在很大的跨度上支撐大的荷載而不易彎曲下沉，同時能夠減少木結構房屋由于收縮、起翹、彎曲、扭曲和開裂引起的地面不平整等一系列質量問題[ 1 ]，因而具有廣闊的市場發展前景。

1 木結構工字梁的優化設計

1. 1 木結構工字梁受力分析

為了對木結構工字梁進行優化設計，需要對其受力情況進行簡化處理。木結構工字梁在木結構建筑中使用時的受力形式可簡化為承受均布荷載的簡支梁（圖1），即工字梁的受力體現為梁受到均布荷載（q為荷載集度）的外力作用。由圖1可知，木結構工字梁中間位置的彎矩最大，在材料種類和截面尺寸相同的情況下，彎矩越大則梁的形變量也越大，工字梁的形變量主要由力學指標中的撓度來表示。撓度是木結構工字梁靜態力學性能的重要指標，也是木結構設計規范中主要的性能指標之一。

圖2顯示，木結構工字梁上部翼緣主要承受來自上方荷載為P的壓應力作用，lb為木結構工字梁翼緣寬度。由材料力學理論可知，梁中間腹板主要承受剪應力作用，梁下部翼緣主要承受拉應力作用。梁受力時，距離中性軸越遠，則應力越大，所以在梁中間腹的中心軸上應力為零，而最大剪應力則發生在中性軸上[ 2 ]。在木結構工字梁受力的情況下，如果木結構工字梁結構和尺寸設計不合理，例如梁中間腹板設計厚度過小，或者腹板高度設計過大，都有可能會出現梁的側向失衡。因此，木結構工字梁設計時，要充分考慮翼緣有足夠的抗拉抗壓能力，中間腹板要有足夠的抗剪能力。

1. 2 木結構工字梁的構造設計

木結構工字梁是橫截面為“I”型的木質結構梁，其結構通常是通過一個接口使兩個翼緣和一個腹板組合成一個整體（圖3）。

1. 2. 1 木結構工字梁的翼緣設計

為了使木結構工字梁具有良好的力學性能，在其翼緣材料的選擇上要求上、下翼緣應使用同一樹種木材，或物理力學性能相似的結構用木質材料;材料的厚度和木材的含水率盡可能保持一致。木結構工字梁的翼緣材料可采用規格鋸材或結構用木質復合材料，其規格尺寸一般根據材料性能和所制備工字梁產品性能的要求進行選擇。木結構工字梁翼緣材料選擇規格工業速生材板材或鋸材時，板材或鋸材的材質質量要求符合國家標準GB50206《木結構工程施工質量驗收規范》和GB50005《木結構設計規范》及相關的要求規定[ 3 ];工字梁翼緣材料選擇結構用單板層積材時，材料質量要求和性能指標要求符合國家標準GB/T20241《單板層積材》的相關規定要求[ 4 ]。木結構工字梁的翼緣也可以使用指接集成材，翼緣使用長指接材時，長度要大于2 400 mm。木結構集成材的翼緣寬度一般要大于35 mm，厚度要大于30 mm。

1. 2. 2 木結構工字梁的腹板設計

木結構工字梁的腹板材料一般選用木質復合結構板材，例如采用定向刨花板（OSB）或結構膠合板。木結構工字梁的腹板規格尺寸，主要是依據所制作工字梁最終產品的性能要求來確定的。腹板為定向刨花板時，其質量和性能指標應符合林業行業標準LY/T 1580-2010《定向刨花板》的規定;腹板材料為結構膠合板時，其質量和性能指標要符合國家標準GB/T 22349《木結構覆板用膠合板》的相關規定。木結構工字梁的腹板材料也可接長使用，但要求腹板的厚度要大于9 mm。 在膠黏劑的選擇上，粘接膠粘劑要使用結構型膠粘劑[ 5 ]，一般選用耐久性能優良的冷固性膠粘劑，木結構工字梁的膠合性能要符合國家標準GB/T 50329《木結構試驗方法標準》的相關規定。

1. 2. 3 木結構工字梁的接口設計

木結構工字梁是以速生材為原料的板材作為翼緣，以木質復合結構板材作為腹板，通過一個接口使翼緣和腹板連接組合。翼緣/腹板的接口連接方式，一方面使木質工字梁得以成型，另一方面能起到傳遞荷載并賦予木結構工字梁更好的力學性能的目的。為了賦予木結構工字梁更好的力學性能，對木結構工字梁翼緣/腹板接口采用梯形槽接口形式，木結構工字梁翼緣/腹板梯形槽接口剖面結構如圖4中所示。其中，β為工字梁梯形槽的接口角;i為工字梁梯形槽的接口高度;e為工字梁槽底間隙，也是工字梁生產工藝必需留有的空間;h為工字梁翼緣高度;b為翼緣寬度;tw為工字梁腹板厚度。在進行梯形槽接口角β和梯形槽接口高度i的設定時，主要考慮兩個因素：一方面要考慮翼緣與腹板的膠合強度問題，另一方面要考慮木結構工字梁對荷載的承受能力。木結構工字梁的腹板上可以根據產品要求開洞口，產品說明中需要規定腹板洞口位置和洞口允許的最大尺寸;留有洞口的工字梁產品還需要再次進行力學性能的測試。

2 木結構工字梁的規格尺寸及主要技術指標測試

2. 1 木結構工字梁的規格尺寸及偏差

通過結構優化設計，可以滿足木結構工字梁在不同使用環境下的性能要求。木結構工字梁的規格尺寸一般設計為：工字梁的長度尺寸2400～5 500 mm，工字梁翼緣寬度通常為35～90 mm;工字梁的高度尺寸一般為 240、300、350和400 mm。木結構工字梁的規格尺寸偏差如表1所示。

2. 2 木結構工字梁的主要技術指標測試

對木質復合材料結構工字梁進行的主要技術指標測試，本試驗依據國家標準GB/T 50329《木結構試驗方法標準》的相關規定進行。木質復合結構工字梁的主要技術指標測試結果：工字梁高度200 mm，長度3 m，重量4.6 kg/m，含水率12%～14%;工字梁翼緣尺寸：寬度80 mm，厚度40 mm;工字梁腹板厚度27 mm;木結構工字梁彎矩5.0 kN·m;剪切力11.2 kN，撓度1/500（允許形變量測試），彈性模量（E）10 200 N/mm2。

試驗結果表明，木結構工字梁翼緣和腹板由于使用了不同的木質復合材料：翼緣采用結構多層膠合板，腹板采用定向刨花板（OSB），并采用了不同的尺寸規格：工字梁長度為3 mm、高度200 mm、工字梁翼緣寬度80 mm、翼緣厚度40 mm，這樣設計生產出的木結構工字梁具有較高的強度、剛度和尺寸穩定性，具有更大的跨度能力以及更小發生幾率的翹曲、扭曲和劈裂，有更低的伸縮率，可以滿足輕型結構木建筑中對工字梁性能的基本要求。

3 結 論

3. 1 木結構工字梁是利用可再生資源生產的建筑構件。在木結構工字梁的翼緣和腹板部分，使用不同的木質復合材料來代替以優質實木為原料的實木梁，故是節能型、循環經濟和保護生態環境大背景下木材工業發展的新模式。

3. 2 通過對木結構工字梁結構進行優化設計，使得木結構工字梁具有更加均一的性能、連續的尺寸和密度。試驗表明，木結構工字梁具有卓越的物理力學性能，能更好地滿足輕型結構木建筑中對工字梁力學性能和產品成本的要求。

3. 3 木結構工字梁是一種資源高效利用型現代木質建筑材料，其作為替代實木梁的木建筑構件具有突出的自身優勢。通過對木結構工字梁的優化設計，研究探索速生林木的高效利用，為木質工字梁的工業化生產奠定了理論基礎。

參考文獻

[1] 李軍偉，? 陳竹，? 黃榮文.? 預組型木質工字梁翼緣/腹板接口的抗劈裂性能研究[J].? 林產工業，? 2016（6）：? 35 - 41.

[2] 李軍偉，? 陳竹.? 預組型木質工字梁承壓能力研究[J].? 林業科技，? 2018（2）：? 50 - 53.

[3] 中國國家標準化管理委員會，? 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.? 建筑結構荷載規范（GB50206-2002）[S].? 北京：中國建筑工業出版社，? 2002.

[4] 中國國家標準化管理委員會，? 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.? 單板層積材（GB/T20241-2006）[S].? 北京：? 中國標準出版社，? 2006.

[5] 李軍偉，? 陳竹，? 黃榮文.? 木質工字梁翼緣/腹板接口膠合性能研究[J].? 林產工業，? 2015（6）：? 23 - 26.

第1作者簡介：? 李軍偉（1974-），? 男，? 碩士，? 副教授，? 研究方向：? 主要從事木材加工技術相關的教學與研究。

通訊作者：? 云建輝（1981-），? 女，? 在讀博士，? 講師。

收稿日期： 2018 - 12 - 25

（責任編輯：? ?潘啟英）