新型木質復合工字梁腹板剪切性能的研究*

李中喜 魏明

山東新港企業集團有限公司 山東 臨沂 276007

引言

預組型木質工字梁，在美國標準ASTM D 5055中定義為：以鋸材或重組型木質材料為翼緣，以結構板材為腹板，通過室外用膠粘劑結合在一起的斷面為“I”字形結構用材。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，腹板主要承受剪應力作用[1-2]。

開展木質工字梁基礎研究，對發展我國木結構建筑和木質建筑材料的研究意義重大。腹板是木質工字梁結構的重要組成部分，腹板的規格、性能很大程度上決定了木質復合工字梁的性能，所以對腹板性能的研究可為木質工字梁性能設計、優化以及生產加工提供理論依據。

1 木質復合工字梁腹板受力分析

腹板是木質工字梁結構的重要組成部分，在實際使用中，木工字梁用腹板材料的橫截面剪切性能對木質工字梁整梁的靜曲性能產生影響。

由材料力學的知識分析得知[3]，木質復合工字梁在建筑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（圖1-a），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[4-5]。由圖1-a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。

圖1 木質復合工字梁受力分析

圖1-b顯示，木質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，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，而最大剪應力則發生在中性軸上[6-7]。當木質工字梁腹板厚度不足或受到側向力作用時，就會發生向一側的變形，這種現象叫作壓板失穩，屬于腹板穩定性問題，因此木質工字梁中間腹板要有足夠的抗剪能力。

2 試驗材料與方法

當腹板不發生側向失穩時，靜曲狀態下木質工字梁腹板的橫截面受到剪應力作用。如果剪應力大于板材的抗剪強度，就會導致腹板橫截面發生水平或垂向剪切破壞。所以對木質復合工字梁腹板材料橫截面剪切性能的研究尤為重要。

由于目前國內尚無人造板橫截面抗剪性能的檢測標準，本試驗參考澳洲/新西蘭標準AS/NZS2269.1-2012的基本原理和結構性能測定試驗方法，研究設計了測試腹板材料橫截面抗剪性能的雙軌測試夾具和檢測方法，以此獲得腹板材料的橫截面抗剪性能。

2.1 試驗材料

2.1.1 刨花板：厚度27mm，取密度水平為638kg/m3、727kg/m3、770kg/m3，含水率為11%，靜曲強度24.18MPa，彈性模量4600MPa，山東新港企業集團有限公司生產的高密度刨花板。

2.1.2 OSB：厚度27mm，密度為640kg/m3，含水率為11%，靜曲強度24.35MPa，彈性模量5000MPa，俄羅斯進口OSB/3型。

2.1.3 膠合板：厚度27mm，密度為635kg/m3，含水率為11%，靜曲強度34.28MPa，彈性模量5560MPa，山東新港企業集團有限公司生產的膠合板。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗檢測方法。本試驗研究參考澳洲/新西蘭標準AS/NZS2269.1-2012的雙軌剪切測試方法，以此確定本實驗用腹板橫截面剪切性能的測試方法（圖2）。

圖2 腹板材料雙軌剪切測試方法

2.2.2 試件的規格和數量。

試件規格：85mm×200mm×27mm。

數量：每種腹板材料各5件，共25件。

2.2.3 試驗設備。20噸的萬能力學試驗機，精度10N；根據澳洲/新西蘭標準AS/NZS2269.1-2012制作的雙軌剪切夾具；空氣對流干燥箱；電子天平，精度0.01g；游標卡尺，0.1mm。

2.2.4 試驗操作方法。將1220×2440mm幅面的腹板材料在不同位置上鋸200×85mm的小試件；在試件上打出對稱分布的8個直徑為10mm的孔；將試件用螺栓固定在夾具上；開動力學試驗機，加載速度為1mm/min；每個試件每隔1KN記錄其應變值，最后記錄試件破壞前試驗機上的最大載荷及最大載荷時的位移；收集并導出試驗數據，進行試驗數據統計分析。

3 試驗結果分析

3.1 三種腹板材料橫截面剪切破壞形式

膠合板的破壞形式沿著剪切面發生剪切破壞，板表面發生微微褶皺，板端頭部位有上下錯動的破壞。OSB破壞形式沿著剪切面發生剪切破壞，板的表面區域內隆起發鼓狀，端頭部位有上下錯動的破壞。普通刨花板的破壞形式沿著剪切面發生剪切破壞，板表面發生撕裂，裂紋貫穿上下板面，端頭部位有上下錯動的破壞形式。

3.2 三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線分析

圖3所示為三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線圖，從中可以看出，三種腹板材料的破壞曲線的趨勢基本一致，曲線可分為四個階段，OA段為試驗機測試調整階段；AB段為腹板材料橫截面剪切彈性變形階段；BC為腹板材料橫截面剪切彈塑性變形階段，在C點達到最大載荷，此時的腹板試件已經發生剪切破壞；CD段為腹板材料橫截面剪切破壞階段，此時腹板材料抗剪能力迅速下降直至試件完全失效。

圖3 腹板材料雙軌剪切破壞曲線對比圖

從試驗數據中可以得出，膠合板承受的最大破壞載荷大于OSB，也大于普通刨花板。由于膠合板是一組單板按相鄰層纖維方向相互垂直膠合而成，相對于OSB來說，膠合板的結構對稱，橫縱方向的性質差異較小，具有很好的抗剪能力。

3.3 三種腹板材料橫截面抗剪強度的計算

每個測試件的抗剪強度（PS）按照下面的公式計算：

式中：PS=抗剪強度（MPa）

Pmax=破壞載荷（N）

L=測試件的長度（mm）

t=測試件的厚度（mm）

當三種腹板材料的密度相同時，由試驗結果可知，三種腹板材料的破壞載荷Pmax值，有公式（1）計算出腹板橫截面抗剪強度值如表1所示。

表1 三種腹板抗剪強度計算值

由上表1可知：當三種腹板材料密度相同時，橫截面抗剪強度PS值的順序依次為：膠合板＞OSB＞刨花板。當密度為640kg/m3時，膠合板和OSB的抗剪強度PS值大于澳洲/新西蘭標準AS6669-2016規定值（PS=6.0MPa），刨花板的抗剪強度值要小于澳洲/新西蘭標準AS6669-2016規定值。

3.4 腹板密度對刨花板橫截面抗剪性能的影響

由表2和圖4可知：當腹板厚度一定時，刨花板的抗剪強度隨著密度的增大而增大，并且成正比增大。在腹板厚度一定時，密度越大，刨花被壓實的越緊密，板內部空隙就越小，因此腹板的彈性模量、靜曲強度及內膠合強度也會相應增加，所以腹板的抗剪強度也會增大。

表2 厚度一定時，刨花板密度與抗剪強度的關系

圖4 刨花板密度與抗剪強度的關系

4 結束語

三種腹板材料橫截面剪切破壞曲線的趨勢基本一致，膠合板承受的最大破壞載荷大于OSB和普通刨花板；三種腹板破壞形式為沿著剪切面發生剪切破壞，端頭部位有上下錯動，膠合板表面發生微微褶皺，OSB板表面區域內隆起發鼓狀，刨花板表面發生撕裂，裂紋貫穿上下板面；當密度一定時（密度為640kg/m3），三種腹板抗剪強度大小順序為：膠合板（8.4MPa）＞OSB（7.4MPa）＞刨花板（5.7MPa）；當腹板厚度一定時，刨花板的抗剪強度隨著密度的增大而增大，并且成正比增大。

建議我國相關標準和規范增補對腹板的橫截面抗剪性能要求及其檢測方法。