落叶松结构集成材承载性能足尺检测与特性评价*

毛　磊　赵思淼　李晨琦　王　齐　白　雪　赵　丹

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨　150081）

落叶松结构集成材承载性能足尺检测与特性评价*

毛磊赵思淼李晨琦王齐白雪赵丹**

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨150081）

针对我国尚无结构集成材足尺检测基础数据的现状，重点开展足尺材料测试和评价研究。研究以普遍应用的落叶松集成材为对象，按GB/T26899-2011《结构用集成材》国家标准对3种国际通用规格的结构集成材进行足尺承载特性测试。依据检测结果，按美国ASTM D2915-10《结构用木材和木质产品抽样和数据分析标准》规定的非参数法和参数法统计分析方式，确立了落叶松集成材抗弯弹性模量（MOE）和抗弯强度（MOR）的特征值数据及正态分布、对数分布和威布尔分布下的拟合优度；确定了各规格结构集成材MOE、MOR的变化趋势。针对不同组别之间MOE及MOR的尺寸效应，利用回归分析方法确立了MOE和MOR的关系；初步确定了结构用集成材的特征值和承载特性的评价方式，为国产树种结构集成材的设计和应用提供了重要的理论支撑。

结构集成材；承载性能；足尺检测；性能评价

随着木结构工艺的飞速发展，结构集成材的应用越来越普遍，发达国家的木结构产品相继涌入我国。对非均质结构材料承载特性的科学评价不仅关乎人身安全，也是结构设计的重要依据。欧美发达国家木结构的应用已经非常普遍，并建立了结构用工程木质复合材料强度性质的测试方法和评价体系；我国针对新型结构材料的研究尚处起步阶段，结构承载性能特征值和设计参考值多根据无疵小试样测试值推算，由于没有可靠的实测依据，木结构建筑在国内建筑设计主管部门不予验收。结构集成材作为工程木质复合材料的重要组成部分，其足尺性能检测及承载特性的科学评价，可为建筑设计部门提供科学实测的承载特性基础数据，从而推动整个木结构在我国建筑行业的应用和发展［1-2］。

1　材料及测试方式

1.1材料及分组

试验采用3种国际通用规格的兴安落叶松结构集成材，依据美国ASTM标准规定的最低测试样本容量［3］，3种足尺试材各28根，加工地为大兴安岭神州北极木业宜家分公司。3种试材分别为同厚试件（编号TH、层板理论厚度38 mm、集成层数5层），断面尺寸为140 mm×192 mm；对称异等试件（编号DY，集成层数5层，选择弹性模量不等的材料集成），断面尺寸为130 mm×192 mm；同宽试件（编号TK，集成层数3层），断面尺寸为130mm× 115 mm，3种试件的长度均为4 000 mm［4］。

1.2测试方式

按GB/T26899-2011的规定，双压头两点加载，压头间距为试材厚度的4倍，支点距离为试材厚度的18倍，加载速度为10 mm/min，加载至试样破坏，记录最大载荷。TH和DY试件采用垂直加载，TK试件采用平行加载［5］。

2　结果与分析

结构用集成材与其他工程木质复合材料强度特性评价标准一样，均以其力学性能的特征值来体现。经测试试验和对试验数据计算得到的统计值，称为试件特征值。材料的强度特征值通常是指标准状态下，材料强度的平均值、中值和75%置信度下5%分位值的下限值，确定特征值是将测试结果转换成设计值应用到实际生产的一个关键环节［6］。美国ASTM标准规定，将木质结构材料抗弯弹性模量的平均值作为其特征值，非参数的5%分位值作为参考特征值；而将75%置信度下5%分位值的下限值作为抗弯强度等强度特性的特征值。特征值的计算方法可由参数法和非参数法计算得到。标准推荐选用非参数法计算作为结构用材料强度的特征值，同时也强调了参数法的重要性［7］。

2.1基础数据

根据试验，获得足尺试件的力学性能测试数据，并由此计算得出各组试件的统计描述。

从表1中可以看出，数据的离散度较小，平均值的代表性较好。符合正常的结构材指标要求。

表1　结构用集成材MOR和MOE的统计结果

2.2抗弯弹性模量特征值的估计

2.2.1抗弯弹性模量特征值

以结构性木材抗弯弹性模量的平均值为特征值。弹性模量的值用于可靠度计算为样本均值时，为确保参数估计的精度，抗弯弹性模量的均值特征值估计所需样本数需满足公式ts/）≤λ的要求，其中λ值为已知，通常会在0.01～0.10之间。查表可知，75%置信区间t值为1.175，测试值符合要求。所以，结构用集成材MOE特征值为MOETH= 16097MPa；MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa。

2.2.2抗弯弹性模量测试结果

通常仅以正态分布来描述抗弯弹性模量，而不考虑其它分布模型。由图1也可以看出，抗弯弹性模量的概率分布较对称，采用正态分布描述其分布能够满足精度要求，且AD检验结果分别为ADTH=0.169，ADDY=0.156，ADTK=0.245，数值服从正态分布的要求。

图1　试件（TH、DY、TK）MOE概率密度曲线

2.3抗弯强度特征值的估计

2.3.1非参数法估计特征值

为了确保样本数量接近最小属性值，采用非参数法根据次序统计量确定非参数法的特征值（非参数公差极限NTL）；同时使用非参数百分点估计值（NPE）对特征值进行检验，提供合理的样品数量作为其次接近最小值的选项。

根据标准要求，通常以非参数估计得到的75%置信度下5%分位值的下限值，作为MOR特征值。百分点估计值（NPE）根据公式（1）可计算得出。落叶松结构用集成材MOR的估计特征值见表2，且需满足（NPE－NTL）/NPE＜δ，其中δ的范围通常在0.01～0.10之间）。3组数据得出的结果分别为 0.06、0.006、0.035，数值均＜δ，满足95%置信度要求。采样数量及特征值符合要求，可以采用NTL值作为总体MOR特征值的最佳推算数。

表2　结构用集成材MOR非参数估计特征值MPa

2.3.2参数法估计特征值

选用参数估计法计算强度特征值，需验证所选分布模型的适用性［8］。以试验测试强度数据为样本，绘制MOR概率密度直方图，并将其分别与标准正态分布、对数分布、威布尔分布进行拟合（图2）。

图2　试件（TH、DY、TK）MOR概率密度曲线

由图2的概率密度曲线可以看出，除第1组TH试件外，另外2组数据3种分布形式差别不大，所以再次通过数据的似然函数值检验模型的拟合程度（表3）。

表3　对数似然值对MOR数据拟合度分析

表3中的结果与概率密度曲线的结果基本一致，可以说明，试件TH与威布尔分布及正态分布拟合度较好，DY和TK试件与3种分布形式拟合优度值接近。由于威布尔分布形式仅在样本值较大的情况下其分布形式才较为精确，所以可在后续试验中进一步对此结果进行验证。

参数统计法的特征值也可以根据75%置信度下5%分位值的下限值（即参数公差极限，PTL）作为特征值，根据公式并用参数点估计值（PPE，一般为5%点估计）作为参考值。在分布模型数据基础上，对不同分布形式的特征值及基础数据进行计算，结果（表4）显示，3组数据的特征值与非参数估计结果比较，正态分布的结果最为接近，尤其是TK试件的数值基本一致。

表4　结构用集成材MOR参数统计特征值

2.4不同组别之间MOE及MOR的关系对比

为了比较不同集成方式结构用集成材MOE、MOR的变化趋势，通过散点图重新升序排列，分别比较3组数据MOE和MOR的变化规律。由图3可以看出，同厚试件（TH）的MOE值明显优于其他2组数据，而对称异等试件（DY）和同厚试件（TK）两者变化规律基本一致。根据图4显示说明，3组数据的MOR值差别不大。

图3　试件（TH、DY、TK）MOE散点图

由此说明，结构用集成材厚度相同时，宽度越大，MOE值越大，但MOR趋势不够显著；而宽度相同、厚度不同时，采用垂直的加压方式（TK试件），MOE变化趋势一致，MOR值优于平行加压的试件（DY试件），甚至在一定程度上超过TH试件。为了更好地将其应用于实际结构设计中，后续还可针对其他性能进行测试。而由于结构用集成材作为集成梁使用时，抗弯强度是其主要承载压力，采用厚度方向平行集成柱的结构形式，在保证其较好的结构性能基础上，可以大量节约木材，减轻自重，优化了结构形式。

图4　试件（TH、DY、TK）MOR散点图

2.5落叶松结构用集成材MOE与MOR的关系

为了今后实现无损检测的目的，可以通过结构用集成材的抗弯弹性模量来预测其强度指标。采用回归分析的方法，以抗弯强度为因变量，抗弯弹性模量为自变量，建立MOE指标与MOR指标两者之间的关系。

根据方差分析结果，分别得出3组数据的相关性方程，其中，TH试件的相关性方程为MOR= 0.007 2MOE-31.06，决定系数为0.37；DY试件的相关性方程为MOR=0.007 0MOE-18.34，决定系数为 0.50；TK试件的相关性方程为 MOR= 0.011 3MOE-69.22，决定系数为0.46。3组数据的F值分别为 FTH=11.59，FDY=25.5，FTK=21.71，均大于 F0.01=7.72，试验结果显著，拟合程度较好（决定系数值稍低，是因为足尺测试中试件自身缺陷对测试结果的影响较大）。通过对原始数据分析，TH试件的决定系数较低的原因，是由于TH试件自身存在缺陷较多所致。方差分析结果表明，两者之间存在一定程度的线性关系。

3　结　论

3.1试验结果表明，落叶松结构集成材试件基础数据的离散度较小，平均值的代表性较好，符合结构用集成材基础参数指标的要求。

3.2数据分别采用非参数法和参数法进行分析，得出弹性模量的特征值为 MOETH=16 097 MPa； MOEDY=13526MPa；MOETK=13267MPa，整体符合正态分布要求。抗弯强度非参数特征值为MORTH= 58.75 MPa，MORDY=54.27 MPa，MORTK=47.25 MPa；参数法中正态分布特征值分别为MORTH=66.61MPa，MORDY=52.75 MPa，MORTK=47.2 MPa。对数正态分布特征值为MORTH=67 MPa，MORDY=55 MPa，MORTK= 51.55 MPa；正态分布特征值与非参数法特征值较为接近。

3.3用参数法分析数据时，利用似然值对其进行拟合度检验，结果为：TH试件与威布尔分布拟合较好；DY、TK试件与3种分布形式拟合度基本一致，正态分布拟合度相对较好。

3.4通过对不同组别之间MOE及MOR的关系对比，3组试件中TH试件的MOE值最高，说明厚度相同时，宽度越大，MOE值越大；宽度相同、厚度不同时，垂直加压方式MOR值较大。

3.5在3组测试数据中，MOE与MOR之间存在一定的线性关系，决定系数分别为0.37、0.50、0.46。

［1］任海青等.轻型木结构房屋用杉木规格材机械应力分等研究［J］.建筑材料学，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］贾俊平.统计学［M］.北京：中国人民大学出版社，2003.

［4］郝金城.集成材制造技术［M］.哈尔滨：东北林业大学出版社，2001.

［5］国家标准化委员会.结构用集成材中华人民共和国国家标准GB/T26899-2011［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［6］栾军.试验设计的技术与方法［M］.上海：交通大学出版社，1987.

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

［8］赵秀.兴安落叶松规格材强度性质的基础研究［D］.北京：中国林业科学研究院，2010.

第1作者简介：毛磊（1982-），女，硕士，工程师。

（责任编辑：潘启英）

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

*国家林业公益性行业专项“工程木质复合材料结构承载性能检测技术研究”（201304514）

赵丹（1962-），男，硕士，研究员。

2016-06-29