木质工字梁腹板厚度的设计和应用

任雪莹

摘 要

本文从木质工字梁的使用背景出发，简要从抗剪能力及蠕变能力方面分别阐述了木质工字梁的整体性能对腹板的要求，提出了工字梁腹板厚度的设计和应用的重要性。

关键词

复合木质工字梁;腹板;剪切;厚度

中图分类号： TS61                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.003

木质重组型材料作为一种利用可再生资源的可持续发展林产品，在结构设计中使用越来越广泛。其中，预制重组木质工字梁就是一种资源高效利用的现代木质建筑材料。

由于木质工字梁主要应用于木结构的屋顶，地板的桁架和搁栅系统，其设计要满足建筑材料力学的强度要求。在建筑应用中，工字梁端部垂向受压或受到侧向力作用时，若腹板的厚度设计不合理则容易发生变形，产生腹板失稳问题，所以工字梁腹板厚度的设计和应用在工程实际中尤为重要，这正是本论文研究的主要内容。

1 木质工字梁对腹板的基本要求

木质工字梁在木结构建筑中使用时的受力形式可以简化为简支梁承受均布载荷的作用。木质工字梁在建筑应用中，上翼缘主要承受压应力作用，下翼缘主要承受了拉应力作用，而中间的腹板主要承受剪应力的作用。根据腹板的受力情况，本文着重从抗剪能力、抗蠕变能力来研究工字梁的整体性能对腹板的要求。

1.1 抗剪能力

在材料力学中，对梁的定义概括为：以弯曲变形为主的杆件。由截面法分析工字梁的内力图得知，工字梁的绝大部分剪力是由腹板承担的，翼缘只承担剪力的很小一部分;最大剪应力在中性轴上。

在工程实际中，梁的破坏常是由剪力引起的剪切破坏，即梁的破坏是由于梁的最大剪应力超过了材料的抗剪能力所致。所以工字梁的腹板材料要求选用高剪切模量和剪切强度的板材。

1.2 抗蠕变能力

在恒定的应力作用下，材料的应变随时间的延长而逐渐增大的特性就称为蠕变。[1]就木质工字梁的材料本身来说，其翼缘材料为单板层积材（LVL），中间的腹板材料通常为刨花板或胶合板，根据木材的流变性原理，[2]这几种人造板材料的蠕变性能存在着差异，表1为几种木质人造板蠕变性能试验结果对比。[3]

其次，对木质工程建筑构件来看，工字梁的结构对工字梁的蠕变也有影响。在1998年，chenetal得出结论，腹板材料对于IJ的蠕变性能有很大的影响作用。[4]

1.3 厚度问题的提出

因为工字梁的高度和梁长受建筑规范和经济指标的约束，高度变化范围有限，而只有厚度是可选的，而另一方面，腹板厚度和胶合强度共同决定腹板的稳定性能，所以在研究中设计腹板厚度就是关键问题。这正是本研究的目的和意义所在。

2 腹板的抗剪性能与厚度的关系

2.1 横截面剪切及其与厚度的关系

工字型截面由翼缘部分和腹板部分组成。假设x轴沿梁的轴线，y轴沿横截面的对称轴，z轴沿横截面的中性轴。它的横截面剪应力分布图如图1所示。

由应力图得知，工字型截面梁在翼缘和腹板两部分的竖向剪应力τy都是抛物线分布，最大剪应力发生在中性轴上;绝大部分剪力是由腹板承担的，翼缘只承担剪力的很小一部分（翼缘部分除产生上述的竖向剪应力τy外，还有水平的剪应力τz），但总体上翼缘剪应力较小，是次要应力，所以设计时可以不做重点考虑，忽略不计。此外，还应注意，在翼缘和腹板交界处剪应力是突变的。

对腹板横截面抗剪性能的测试国内尚无检测标准，通过测试横截面抗剪强度的双轨剪切检测方法得知密度，内结合强度一定时的竹大片刨花板的厚度与抗剪切强度成正相关。

2.2 层间剪切及其与厚度的关系

材料的层间剪切性能的测试多采用IOSIPESCU试件，对其采用化学气象渗透（CVI）的方法来评定的。[5]材料的层间剪切性能是由材料本身的性质所确定的。当以竹大片刨花板为腹板材料时，竹大片刨花间的破坏形式为：横向褶皱、撕裂和纵向折断、层间胶层剪切破坏等几种形式，但未发现大片刨花拦腰截断的破坏形式。

材料的层间剪切一般不易用力学模型模拟，不从力学方面分析。根据经验得知，腹板的层间剪切与厚度的影响关系不是很大。

3 腹板的种类，基本性能及其与厚度的关系

3.1 腹板的种类

考虑到木质工字梁的受力情况，腹板主要承受剪力。所以在腹板原材料的选用中要考虑到诸多因素。在工程设计中腹板的种类主要有：实木板，纤维板，胶合板以及刨花板等。

3.1.1 实木板

在木质工字梁早期使用时，腹板的材料曾经使用过实木板。但由于工程构件对材料的材质等级和力学性能要求比较高，特别是腹板材料对抗剪强度的要求高，所以现在腹板材料的选用多不使用实木板材料。

3.1.2 纤维板

考虑到纤维板的抗弯曲性能不如胶合板，所以工程上不常使用纤维板作为腹板材料。但是，纤维板可以得到大尺寸幅面，板面内以及横截面上的力学性能均一性较好[6]，这是其他腹板材料所无法比拟的。

3.1.3 胶合板

胶合板具有强重比高，幅面大，变形小不易翘曲以及横纹抗拉强度大等优点。它是对天然木材各向异性的改造，强调的是各向同性。由于胶合板具有很好的横截面抗剪和抗压能力，比较复合木质工字梁对腹板的力学要求，所以是腹板材料的选择之一。但胶合板的甲醛释放量是对住宅结构用材的一种限制，[7]予以考虑。

3.1.4 刨花板

刨花板是一种主要的结构用板材，对其要求要具有足够的抗弯和抗剪能力。目前在国外的生产中，腹板材料多采用定向刨花板。竹大片刨花板和竹定向大片刨花板。经过竹大片刨花板常规力学性能的测试，可知竹大片刨花板的静曲强度和弹性模量优于木质大片刨花板，[8]所以可以用作木质工字梁的腹板材料来使用。

3.2 腹板应满足的基本性能

IJ在使用过程中发生的破坏现象有翼缘的扭曲变形、腹板的溃败、腹板戳穿翼缘和侧向摆动。根据材料力学原理对工字型截面受力分析可知：腹板在IJ梁中主要起到传递荷载，其荷载作用形式以剪应力为主，在截面中心位置剪切应力达到最大值。由此IJ整体梁对腹板用原料板材提出了抗剪强度的研究。国外目前通过在IJ端头增加缀板以提高腹板的承载能力。

3.3 厚度对腹板性能的影响

根据研究结果表明：[8]高厚比大于20时，腹板厚度与压板临界失稳强度呈正相关关系，但高厚比为30的压板临界失稳强度随腹板厚度增加的增长率要比高厚比为20时的大得多;进一步可以看出，高厚比小于20时，腹板的压板临界失稳强度与腹板的厚度却呈负相关关系。而且从不同高厚比腹板的不同破坏形式可以看出：较矮腹板的破坏主要以芯层内结合破坏为主（因为厚板芯层的内结合强度往往低于薄板的内结合强度）。

4 总结

纵观我国的木资源日益的匮乏，可用的原木径级和材质变得越来越差。由于以上等原因使得建筑木結构中使用木质复合材料来替代原木材料迫在眉睫。用“I”型结构将翼缘（实木或单板层积材）和腹板（胶合板、OSB或大片刨花板）结合成一种高效结构的复合木质产品有非常大的应用前景。

参考文献

[1]申宗圻.木材学[M].北京：中国林业出版社，1990.

[2]王逢瑚.木质材料流变学[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2005.

[3]刘一星，王蓬瑚.木质建材手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]岳孔等.木质材料蠕变研究进展[J].木材加工机械，2008.

[5]熊翔，黄伯云，肖鹏，吴凤秋.准三维C/C复合材料的层间剪切性能及其断裂机理[J].中国有色金属学报，2004.

[6]张苏俊.复合材料作为建筑结构用材的应用[J].林业机械与木工设备，2003.

[7]林利民，耿绍辉，王厚军，等.轻型木结构建筑覆面胶合板的产品特点及性能要求[J].人造板通讯，2004.

[8]张宏健，袁福兴.木质工字梁腹板用竹大片刨花板主要静态力学性能的研究和设计[J].