新型木质复合工字梁腹板剪切性能的研究*

李中喜 魏明

山东新港企业集团有限公司 山东 临沂 276007

引言

预组型木质工字梁，在美国标准ASTM D 5055中定义为：以锯材或重组型木质材料为翼缘，以结构板材为腹板，通过室外用胶粘剂结合在一起的断面为“I”字形结构用材。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，腹板主要承受剪应力作用[1-2]。

开展木质工字梁基础研究，对发展我国木结构建筑和木质建筑材料的研究意义重大。腹板是木质工字梁结构的重要组成部分，腹板的规格、性能很大程度上决定了木质复合工字梁的性能，所以对腹板性能的研究可为木质工字梁性能设计、优化以及生产加工提供理论依据。

1 木质复合工字梁腹板受力分析

腹板是木质工字梁结构的重要组成部分，在实际使用中，木工字梁用腹板材料的横截面剪切性能对木质工字梁整梁的静曲性能产生影响。

由材料力学的知识分析得知[3]，木质复合工字梁在建筑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（图1-a），即工字梁的受力体现为梁受到均布荷载（q 为荷载集度）的外力作用[4-5]。由图1-a可知，木结构工字梁中间位置的弯矩最大，在材料种类和截面尺寸相同的情况下，弯矩越大则梁的形变量也越大。

图1 木质复合工字梁受力分析

图1-b显示，木质工字梁上部翼缘主要承受来自上方荷载为P的压应力作用，梁中间腹板主要承受剪应力作用，梁下部翼缘主要承受拉应力作用。梁受力时，距离中性轴越远，则应力越大，而最大剪应力则发生在中性轴上[6-7]。当木质工字梁腹板厚度不足或受到侧向力作用时，就会发生向一侧的变形，这种现象叫作压板失稳，属于腹板稳定性问题，因此木质工字梁中间腹板要有足够的抗剪能力。

2 试验材料与方法

当腹板不发生侧向失稳时，静曲状态下木质工字梁腹板的横截面受到剪应力作用。如果剪应力大于板材的抗剪强度，就会导致腹板横截面发生水平或垂向剪切破坏。所以对木质复合工字梁腹板材料横截面剪切性能的研究尤为重要。

由于目前国内尚无人造板横截面抗剪性能的检测标准，本试验参考澳洲/新西兰标准AS/NZS2269.1-2012的基本原理和结构性能测定试验方法，研究设计了测试腹板材料横截面抗剪性能的双轨测试夹具和检测方法，以此获得腹板材料的横截面抗剪性能。

2.1 试验材料

2.1.1 刨花板：厚度27mm，取密度水平为638kg/m3、727kg/m3、770kg/m3，含水率为11%，静曲强度24.18MPa，弹性模量4600MPa，山东新港企业集团有限公司生产的高密度刨花板。

2.1.2 OSB：厚度27mm，密度为640kg/m3，含水率为11%，静曲强度24.35MPa，弹性模量5000MPa，俄罗斯进口OSB/3型。

2.1.3 胶合板：厚度27mm，密度为635kg/m3，含水率为11%，静曲强度34.28MPa，弹性模量5560MPa，山东新港企业集团有限公司生产的胶合板。

2.2 试验方法

2.2.1 试验检测方法。本试验研究参考澳洲/新西兰标准AS/NZS2269.1-2012的双轨剪切测试方法，以此确定本实验用腹板横截面剪切性能的测试方法（图2）。

图2 腹板材料双轨剪切测试方法

2.2.2 试件的规格和数量。

试件规格：85mm×200mm×27mm。

数量：每种腹板材料各5件，共25件。

2.2.3 试验设备。20吨的万能力学试验机，精度10N；根据澳洲/新西兰标准AS/NZS2269.1-2012制作的双轨剪切夹具；空气对流干燥箱；电子天平，精度0.01g；游标卡尺，0.1mm。

2.2.4 试验操作方法。将1220×2440mm幅面的腹板材料在不同位置上锯200×85mm的小试件；在试件上打出对称分布的8个直径为10mm的孔；将试件用螺栓固定在夹具上；开动力学试验机，加载速度为1mm/min；每个试件每隔1KN记录其应变值，最后记录试件破坏前试验机上的最大载荷及最大载荷时的位移；收集并导出试验数据，进行试验数据统计分析。

3 试验结果分析

3.1 三种腹板材料横截面剪切破坏形式

胶合板的破坏形式沿着剪切面发生剪切破坏，板表面发生微微褶皱，板端头部位有上下错动的破坏。OSB破坏形式沿着剪切面发生剪切破坏，板的表面区域内隆起发鼓状，端头部位有上下错动的破坏。普通刨花板的破坏形式沿着剪切面发生剪切破坏，板表面发生撕裂，裂纹贯穿上下板面，端头部位有上下错动的破坏形式。

3.2 三种腹板材料横截面剪切破坏曲线分析

图3所示为三种腹板材料横截面剪切破坏曲线图，从中可以看出，三种腹板材料的破坏曲线的趋势基本一致，曲线可分为四个阶段，OA段为试验机测试调整阶段；AB段为腹板材料横截面剪切弹性变形阶段；BC为腹板材料横截面剪切弹塑性变形阶段，在C点达到最大载荷，此时的腹板试件已经发生剪切破坏；CD段为腹板材料横截面剪切破坏阶段，此时腹板材料抗剪能力迅速下降直至试件完全失效。

图3 腹板材料双轨剪切破坏曲线对比图

从试验数据中可以得出，胶合板承受的最大破坏载荷大于OSB，也大于普通刨花板。由于胶合板是一组单板按相邻层纤维方向相互垂直胶合而成，相对于OSB来说，胶合板的结构对称，横纵方向的性质差异较小，具有很好的抗剪能力。

3.3 三种腹板材料横截面抗剪强度的计算

每个测试件的抗剪强度（PS）按照下面的公式计算：

式中：PS=抗剪强度（MPa）

Pmax=破坏载荷（N）

L=测试件的长度（mm）

t=测试件的厚度（mm）

当三种腹板材料的密度相同时，由试验结果可知，三种腹板材料的破坏载荷Pmax值，有公式（1）计算出腹板横截面抗剪强度值如表1所示。

表1 三种腹板抗剪强度计算值

由上表1可知：当三种腹板材料密度相同时，横截面抗剪强度PS值的顺序依次为：胶合板＞OSB＞刨花板。当密度为640kg/m3时，胶合板和OSB的抗剪强度PS值大于澳洲/新西兰标准AS6669-2016规定值（PS=6.0MPa），刨花板的抗剪强度值要小于澳洲/新西兰标准AS6669-2016规定值。

3.4 腹板密度对刨花板横截面抗剪性能的影响

由表2和图4可知：当腹板厚度一定时，刨花板的抗剪强度随着密度的增大而增大，并且成正比增大。在腹板厚度一定时，密度越大，刨花被压实的越紧密，板内部空隙就越小，因此腹板的弹性模量、静曲强度及内胶合强度也会相应增加，所以腹板的抗剪强度也会增大。

表2 厚度一定时，刨花板密度与抗剪强度的关系

图4 刨花板密度与抗剪强度的关系

4 结束语

三种腹板材料横截面剪切破坏曲线的趋势基本一致，胶合板承受的最大破坏载荷大于OSB和普通刨花板；三种腹板破坏形式为沿着剪切面发生剪切破坏，端头部位有上下错动，胶合板表面发生微微褶皱，OSB板表面区域内隆起发鼓状，刨花板表面发生撕裂，裂纹贯穿上下板面；当密度一定时（密度为640kg/m3），三种腹板抗剪强度大小顺序为：胶合板（8.4MPa）＞OSB（7.4MPa）＞刨花板（5.7MPa）；当腹板厚度一定时，刨花板的抗剪强度随着密度的增大而增大，并且成正比增大。

建议我国相关标准和规范增补对腹板的横截面抗剪性能要求及其检测方法。