陳 強，楊 凌，謝子洪，沈 搏，謝興華，包燕敏，李先民

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

木材的應用在中國已有四五千年的歷史，至今依然應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活的各個方面.木材具有重量輕、強重比高、彈性好、耐沖擊、紋理色調(diào)豐富美觀、加工容易等優(yōu)點，是一種良好的承重材料.但是木節(jié)、裂縫等缺陷會影響木材強度，木材大小又受到先天生長環(huán)境的影響，同時木材又易受腐蝕、被蟲蛀、且干燥易燃，因此限制了木結(jié)構(gòu)的應用.膠合木結(jié)構(gòu)是將厚度為20～45 mm、含水率低于18%的木板刨光后，經(jīng)膠層疊壓、膠合成各種形狀和截面尺寸的構(gòu)件及其組合結(jié)構(gòu).膠合木作為木材應用的主要形式，它具有重量輕、紋路清晰、絕緣、強度大和不易變形的優(yōu)點，人們用層板膠合木可組成桁架、拱、框架、梁和柱等.目前，加拿大、美國均傾向于采用足尺試件進行測定來減少其他因素的影響，以獲得更加準確的力學參數(shù).文獻[1-3]對原木進行了一系列研究，并利用超聲波法來測量原木的力學性能，討論如何更好地對原木進行儲存.文獻[4-9]對木-混凝土等工程木結(jié)構(gòu)進行研究，設(shè)計了一種高層正交膠合木-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，運用有限元分析方法，研究不同參數(shù)對該混合結(jié)構(gòu)的力學性能、變形、動力特性等的影響.文獻[10]進行了竹-原木組合梁受彎試驗，表明竹-木組合結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同工作.文獻[11]對竹筋實木組合板小變形階段的受彎性能進行了試驗研究.文獻[12-16]對膠合木組合結(jié)構(gòu)進行了探索，但僅研究了大型木板和木方組合的力學性能，對小型木方組合截面形式及力學性能尚未予以研究.

本文針對現(xiàn)有小型杉木方膠合木柱力學性能研究的不足，利用目前南方速生小杉樹加工成小木方膠合柱，對其受壓性能進行研究，為應用開發(fā)一種綠色建筑材料提供理論和試驗依據(jù).

1 膠合木柱試件制作與試驗

1.1 材料選用與尺寸

1)木材：選用南方小杉木方，參照 GB/T 1931-2009《木材含水率測量方法》[17]，測得該批膠合木的含水率為12%，寬×高為48 mm×45 mm，長度為150～500 mm.

2)膠合材料：白乳膠和固化劑，兩者以 1/20的質(zhì)量比例混合，承重結(jié)構(gòu)膠黏劑應保證其膠合強度不低于木材順紋抗剪和橫紋抗拉強度.

3)膠合木柱尺寸：3 根膠合木柱編號分別為B-1、B-2、B-3，長×寬為223 mm×223 mm，高為1 000 mm.

1.2 原木材料性能測試

為了獲得材料性能，參照 GB/T50329-2012《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[18]，對15 個規(guī)格為80 mm×80 mm×240 mm 杉木短柱試件進行試驗，測得小木方抗壓彈性模量為3 468.8 MPa、抗壓強度為25.46 MPa.

1.3 膠合木柱制作

1)挑選、拼接材料.挑選表面光滑平整無其他不良痕跡的木方，將木方切割成長短不等的木塊.將木塊拼接成木柱時，應注意不要將拼接點放在同一截面.

2)制作流程(見圖 1).

圖1 膠合木柱制作工藝流程

3)加工注意事項.挑選的木塊必須保證表面光滑沒有結(jié)點，無蟲蛀、腐朽、髓心；粘接時木塊之間要緊密粘接，木塊之間不能出現(xiàn)縫隙，為了避免這種情況發(fā)生，在粘接時可以適當給予規(guī)定的壓力使木塊之間緊密粘接；每粘接一層時由于膠涂抹不勻等原因可能導致木柱表面不平整，因此，每粘接一層就要將表面銼平，以保證其表面平順性.

1.4 試驗方案

1)試驗設(shè)備.采用5 000 kN 壓力試驗機進行抗壓試驗，選用XL2101C 程控靜態(tài)電阻應變儀采集應變數(shù)據(jù).為更好地測量木柱在豎向的應變，在木柱4 個側(cè)面1/2 處柱高處，每個面均勻貼4個應變片，共16 個，通過各側(cè)面的4 個應變片觀察木柱在豎向的應變狀況；另外，在木柱4 個側(cè)面的中心點處，分別放置百分表測量試件的橫向位移；試件的縱向位移從壓力機上讀取.應變片及百分表分布見圖2.

圖2 應變片及百分表分布

2)試驗過程.在正式試驗之前先進行預加載，檢查16 個應變片的受力情況，任意2 個應變片受力數(shù)據(jù)的差值在5%之內(nèi)，最后將16 個應變數(shù)據(jù)記錄在表格中.試驗中，液壓機的加載速率為0.3～0.5 kN/s，以每級荷載梯度為20 kN 進行加載，每完成一級加載需等待1 分鐘左右，使木柱傳力分布均勻.位移計穩(wěn)定后，記錄電阻應變儀上的應變數(shù)據(jù)和位移計上的數(shù)據(jù).

3)試驗注意事項.木柱表面不平整將導致木柱受力不均勻，造成剪力過大而將試件破壞，影響試驗的正常進行.因此，在進行試驗前，需對木柱上、下表面進行打磨處理，以保證其水平.另外，為保證木柱軸心受壓，木柱截面中心、壓力機球鉸中心及壓力機中線需保持在同一縱向軸線上.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

3 根膠合木柱軸心受壓破壞形態(tài)見圖 3.試驗過程中，木柱B-1 在加載至600 kN 能夠聽到細微響聲；加載至780 kN 時出現(xiàn)明顯的劈裂聲，木柱上部出現(xiàn)細微橫向和豎向裂縫；繼續(xù)加載至840～880 kN 時連續(xù)發(fā)出明顯的劈裂聲，且橫向裂縫繼續(xù)增大；加載至960～980 kN 時出現(xiàn)較大的響聲，橫向和縱向裂縫都繼續(xù)增大；加載至1 000 kN時位移突增，木柱中上出現(xiàn)較大裂縫，并發(fā)生材料破壞.木柱B-2加載至660 kN時出現(xiàn)橫向裂縫，加載至860～920 kN 時橫向裂縫持續(xù)增大；加載至1 010 kN 時聽到較大的劈裂聲，發(fā)生材料破壞.木柱B-3 加載至860 kN 時出現(xiàn)較大的橫向裂紋，加載至1 020 kN 時出現(xiàn)材料破壞.

2.2 極限承載力與應力應變

根據(jù)膠合木柱破壞試驗，可得3 根試件的抗壓極限承載力及對應的軸壓極限應力應變，結(jié)果見表1.其中，N peak 為試件軸壓極限承載力；σ 為試件軸壓極限應力； εpeak為試件軸壓極限應變.

表1 試件極限承載力與對應的軸壓極限應力應變

2.3 試件受壓荷載-應變關(guān)系

對3 根膠合木柱試件進行受壓試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理可得到荷載-應變關(guān)系曲線，如圖4 所示.由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在受壓的整個過程中3 根膠合木柱受壓應變變化趨勢相近，膠合木柱荷載-應變關(guān)系圖可分為3 個階段.

1)彈性階段.當壓應力小于極限應力 80%左右時，膠合木柱受壓變化規(guī)律符合胡克定律，處于彈性工作階段，即隨著壓應力的增大，木材本身內(nèi)部纖維的空隙逐步壓緊，管狀細胞發(fā)生微小變形，此時荷載-應變關(guān)系成線性關(guān)系；當壓應力達到峰值應力的80%時，伴隨有木柱內(nèi)部纖維擠壓的細小聲音.

2)彈塑性階段.當壓應力大于極限應力 80%左右時，曲線的斜率不斷變小，由線性關(guān)系變?yōu)榉蔷€性關(guān)系.此時木材壓縮變形幅度不斷增大，管狀細胞被逐步壓潰，內(nèi)部裂縫不斷延伸，開始聽到木材發(fā)生劈裂的響聲，并隨著壓力的增大聲音越來越大；當達到極限承載能力時，曲線斜率等于零，同時膠合木柱發(fā)生破壞并出現(xiàn)橫向和縱向裂縫.

3)塑性階段.當壓應力達到峰值后，膠合木柱強度并沒有完全消失，隨著變形的增加，應力開始不斷減小.膠合木柱B-1、B-2、B-3 的極限承載力相差不大，變化幅度均在 5%以內(nèi)；其受壓應變變化趨勢基本相同，極限承載力達到80%左右才出現(xiàn)明顯彈塑性，沒有明顯的破壞特征.

2.4 試件受壓荷載-位移關(guān)系

膠合木柱的荷載-橫向位移曲線和荷載-豎向位移關(guān)系曲線分別如圖5 和圖6 所示.

圖4 荷載-應變關(guān)系曲線

圖5 荷載-橫向位移關(guān)系曲線

圖6 荷載-豎向位移關(guān)系曲線

由圖5 可以看出，在剛加載時試件主要受到壓應力作用，處于彈性階段，橫向位移幾乎不發(fā)生變化；隨著壓力增大，開始發(fā)生彈性變形，橫向位移均勻變化但變化緩慢.進入彈塑性階段后，橫向位移明顯增大，當橫向位移達到 2～2.5 mm時，試件開始出現(xiàn)大幅度破壞，進入塑性階段.

由圖6 可以看出，膠合木柱在初始受壓時發(fā)生的豎向位移變形比較大，這是由于膠合木柱在試驗前預壓不足，木方膠接處存在空隙，加壓時發(fā)生壓縮變形等原因造成的.隨后豎向位移經(jīng)歷了3 個階段，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.不考慮預試驗前段的變形位移，彈性階段豎向位移基本上均勻增加；當加載到極限荷載的80%時，膠合木柱開始發(fā)生不同程度的橫向和縱向破壞；當豎向位移達到7.59 mm 左右時，若繼續(xù)加載，則豎向位移會突增.

2.5 承載能力穩(wěn)定系數(shù)

以3 根膠合杉木短柱軸壓試驗數(shù)據(jù)作為承載能力穩(wěn)定系數(shù)的計算依據(jù)，根據(jù) GB50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[19]，對相關(guān)參數(shù)進行計算.

其中，1φ 為試驗穩(wěn)定系數(shù)值；Npeak為試件的穩(wěn)定承載力試驗值；A 為試件受壓面積； fu為杉木短柱試件抗壓強度.

結(jié)合前文試驗所得杉木的強度，按式(2)和式(3)計算理論穩(wěn)定系數(shù)2φ ：

其中，λ 為試件長細比； fck為受壓構(gòu)件材料的抗壓強度標準值(N/mm2)； Ek為構(gòu)件材料的彈性模量標準值(N/mm2)；a c ，bc為材料相關(guān)系數(shù)；β 為材料剪切變形相關(guān)系數(shù).

軸心受壓構(gòu)件理論穩(wěn)定承載力N0按

計算.實際穩(wěn)定系數(shù)與理論穩(wěn)定系數(shù)之差所占理論穩(wěn)定系數(shù)的百分比 Δ1，實際承載力與理論承載力之差所占理論承載力的百分比 Δ2，按

計算.其中，φ1, φ2, N0, Δ1,Δ2計算結(jié)果見表2.

表2 試件受壓性能參數(shù)試驗值和理論值

根據(jù) GB50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[19]計算大小一致的原木柱在相同尺寸下的理論承載力為1 266.1 kN，同時算得穩(wěn)定系數(shù)為0.95.由表2 可看出，膠合木柱計算承載力達到1 159.9 kN，穩(wěn)定系數(shù)達到0.946，與原木柱理論的承載力相差106.2 kN，而穩(wěn)定系數(shù)基本相等.

3 結(jié)論

1)試件在極限荷載時均發(fā)生了材料破壞，荷載-應變曲線呈現(xiàn)出彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.木柱豎向變形隨著荷載的不斷增加，前期呈線性變化；當荷載達到極限荷載的80%時，隨著荷載的增大，進入塑性變形階段.

2)試件抗壓承載力平均值為973.3 kN，說明小木方膠合后能協(xié)調(diào)發(fā)揮各自的抗壓性能.

3)膠合木柱試件相比理論大小的原木柱極限承載力降低了16.09%，滿足工程要求.