玉米秸秆重组集成梁受剪性能研究综述

翟 莲 刘长安 钱咏梅 张竹军 杨莹莹

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 前言

经济的快速发展需要大量的木材资源。我国森林覆盖面积较小，代木材料就显得十分重要。这些年研究者对农作物秸秆进行了试验研究，不少秸秆经过加工可以达到环保、节能、低碳的效果，市场价值较大。农作物秸秆制板技术始于20世纪初，源自于西欧[1]。1921年，美国利用甘蔗渣制造软质纤维板，20世纪40年代末以后，以麻秆等农作物的秸秆、甘蔗渣为原材料的人造板厂都得到一定的发展[2]。此外，还将农作物秸秆制作成墙体板材，如麦秸中密度纤维板和麦秸定向刨花板[3]。

文章研究的玉米秸秆重组集成材就是一种可再生资源，本项目属于吉林省科技厅重大项目，项目编号为20180201066SF，合理地开发和利用玉米秸秆重组集成梁将有助于绿色建材的发展。

玉米秸秆重组集成材制备工艺主要包括选材、据板、砂光、涂胶、加锁固定、齐头截断、打磨处理等环节。文章采用ABAQUS有限元软件对水平纹水平拼接的玉米重组集成梁抗剪性能进行有限元模拟分析，再结合试验现象进行研究。这里我们只研究剪跨比为1的梁受剪性能破坏机理，观察和对比玉米秸秆重组集成梁的受剪情况，并进行归纳、整理。

1 试验概况

1.1 试验准备

本试验试件是两根相同尺寸大小的水平纹水平拼接的玉米秸秆重组集成梁。尺寸为120 mm×150 mm×1 800 mm(宽×高×长)的试件，采用四点加载法进行加载（如图1-1所示）。试件从加载到破坏的时间一般控制在10 min以内。试验设备采用厂房配备的500 kN微机控制电液伺服结构试验系统（如图1-2所示），数据通过DH3818静态应变测试系统进行提取。为了测量梁的挠度和应变，试件梁加载点下方各安装一个位移计，加载点周围和梁中间沿截面高度都需要贴上应变片。试验前调试试验仪器，检查连接到电脑上的静态应变测试系统是否平衡、读取数据是否准确、参数设置是否满足要求。

图1 -1 梁示意图

图1 -2 试验机器

1.2 试验现象和破坏机理

第一根梁的试验：在加载初期，荷载随时间呈线性变化，随着荷载的不断增大，梁上部受压和梁下部受拉位置会慢慢起皮，重组集成梁的纤维会发出撕裂的声响；随着荷载的增大，梁的下部会听到间断性的噼里啪啦声音；随着荷载的继续增加，在荷载达到59 kN时，发出剧烈的声响，荷载急剧下降，梁中间位置发生受弯破坏（如图2-1所示）。

第二根梁的试验：随着荷载的增加，受剪区会发出间断性的噼里啪啦声音；随着荷载的继续增加，梁下部受拉区会逐渐起皮，且受剪区噼里啪啦的声音会更加频繁，在受剪区会看到裂纹从中间向梁上部受压区和梁支座发展；最后伴随着一声声响，在梁受剪区下部发生了受剪破坏（如图2-2所示）。

图2 -1 梁试验过程

图2 -2 梁试验过程

1.3 试验结果分析

通过试验，第一根梁在荷载达到59 kN时发生受弯破坏，第二根梁在荷载达到41.45 kN时发生受剪破坏。通过对比两根梁的跨中荷载-位移曲线（如图3-1所示），发现荷载位移曲线的变化趋势基本一致。加载初期都呈线性增长，随着荷载的增大，位移也在增加，第二根梁的变形比第一根梁的变形大。在相同荷载作用下，第二根梁的变形较为严重，受剪区发生变形，材料纤维之间受力，发生受剪破坏，梁跨中下部位置起皮。第一根梁的变形主要发生在跨中受弯区，当荷载加载到一定值，位移变化较大，直到最后发生脆性破坏，属于受弯破坏。

图3 -1 试件跨中荷载—位移曲线

两根梁跨中不同位置的应变片可以测量随着荷载的增加沿截面高度的应变变化，通过数据的整理和分析，两根梁的跨中沿截面高度变化曲线趋势基本相同，梁上部受压区应变值都小于梁下部受拉区应变值，受弯破坏的梁沿截面高度应变变化较为明显，增长速度较快，随荷载的不断增加，应变值较大（如图3-2所示）。受剪破坏的梁沿截面高度应变变化较小，应变值较小（如图3-3所示）。

图3 -2 梁跨中截面沿截面高度应变变化图

图3 -3 梁跨中截面沿截面高度应变变化图

2 模拟分析

采用ABAQUS有限元软件对玉米秸秆重组集成梁受剪情况进行有限元分析，采用有限单元法。有限单元法是一种利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟分析计算的数值分析方法[4]。而ABAQUS则是一款功能强大的有限元分析软件，具有较强的计算能力和广泛的模拟能力，含有丰富的单元模型、材料模型及分析过程[3]。无论是简单的线性问题还是非线性组合问题，都能够通过计算机运算得到满意的结果[6]。

玉米秸秆重组集成材属于各向异性材料，在不同方向上的模量各不相同，差异比较大。根据以往所做的玉米秸秆重组集成材水平纹水平拼接梁的材料性能试验数据，对材料属性进行定义，每层材料之间的胶层采用实体建模，每层板与胶之间设置绑定。梁下垫有垫块，梁的尺寸为120 mm×150 mm×1 800 mm（宽×高×长）。通过创建部件、属性、装配，设置分析步，定义荷载、边界条件，划分网格，经分析后得到应力云图（如图4所示）。梁的受剪区域应力较大，最大应力集中在支座和垫片周边，梁上部受压区和梁下部受拉区都有应力，其值比受剪区域较小，梁跨中上部位置产生的是较小的负应力，梁下部位置产生的是正应力。梁两端应力较小。在荷载作用下，梁受剪区域应力不断增加，直至最后发生受剪破坏。

图4 应力云图

通过软件模拟，我们导出梁荷载-位移曲线（如图5-1所示）。荷载开始随着时间和位移呈线性变化，随后荷载增加，位移变化较大，直至最后发生受剪破坏，最大值为52 kN，导出荷载沿截面高度变化曲线（如图5-2所示），观察发现：跨中随高度发生的应变较小，变化较为均匀，变化趋势同试验基本相同；梁跨中拉应变值比压应值的变化要大些，但都是均匀增长。

图5 -1 试件跨中荷载—位移曲线

图5 -2 梁跨中截面沿截面高度应变变化图

3 总结

文章通过四点加载法对两根玉米秸秆重组集成材水平纹水平拼接梁进行了试验，并通过模拟分析进行对比，所得荷载-位移曲线变化趋势大致相同，梁跨中沿截面高度曲线趋势基本一致，梁跨中受压区应变值比受拉区应变值小，梁跨中受压区和受拉区都有较小应力。影响梁受剪的因素很多，本试验极限荷载相差较大，材料本身存在不稳定性，还需进行大量研究。玉米秸秆重组集成梁是一种代木结构的绿色建材，其应用将会为经济社会可持续发展做出贡献。