改性速生杨木力学性能研究*

刘庆娟，秦建恒

（山东协和学院，山东 济南 250109）

社会经济的飞速发展，造成环境大量污染和劳动力成本迅速提高[1-2]。针对上述问题，国家颁布一系列文件要求大力推广装配式建筑，各地都提出了新建建筑装配化率的目标，并且都提到木结构装配化的问题。由于中国的森林覆盖率不高，且近年来，为了保护林区的森林资源，维持完整的生态环境，国内多个林区已逐渐被禁止采伐，尤其以东北大小兴安岭为主的林业湿地，完全被禁止商业采伐，导致中国木材产量明显减少，难以满足市场的需求，致使木结构建筑的生产和推广受到严重制约。

速生杨木除本身具有品质优良、生长快、适应性强、抗寒及抗病虫害能力强、木质轻、易加工、管理粗放等特点外，还具有绿化环境、防风固沙和其经济效益较好等优点[3-4]。一般而言，速生杨的育林苗木定植后，5年就可以成材，因此大面积营造速生丰产用材具有良好的发展前景。为了更好地利用这一天然资源，有必要以改性速生杨木为研究目标，进行其改性后的试验研究，掌握改性后速生杨木的基本力学性能规律，进而扩大速生杨木的应用范围。

1 存在的问题

存在的问题主要如下：①对木结构的认识不足，从社会角度、高校角度、科研院所角度、设计院角度分析，大部分认同的是钢筋混凝土结构，设计意识淡薄，设计积极性不高。②对相关规范理解不够深刻，支持不够。中国木结构规范相对较陈旧，对木结构设计认识不够，设计院无规范可用，此前，各种规范冲突较明显，木结构的防火规范限制较大，这些都遏制了木结构的发展。③木结构的企业设计能力薄弱，设计时分析不够明确。中国现阶段木结构企业的设计过程、实验过程不够完善，导致设计过程中受力分析不够明确，套用固定模式的现象严重，对构件受力分析过于简单。

2 研究内容

速生杨木材性基本力学性能的试验研究。为了能够全面地了解速生杨木的力学性能，对速生杨木进行顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、横纹抗拉强度、抗弯强度、顺纹抗剪强度、弹性模量和含水量的试验研究，为后面的改性打下基础。

改性速生杨木（不同厚度和不同纹理）的抗压强度试验研究。将速生杨木切割为不同厚度的试件，然后用结构胶进行胶结改性，并分析其力学性能指标，探索合理厚度、强度和价格之间的最合理结合点。同时考虑不同纹理对其基本力学性能的影响，通过试验研究得到最佳纹理的粘接方式，为后面的进一步改性提供基础。试验过程中，观察改性前后的抗压强度，确定不同厚度及不同纹理方向的速生杨木胶结构件力学性能。

碳纤维改性速生杨木的强度试验研究。根据前面的试验结果，考虑碳纤维布的不同纹理方向、不同配纤率、不同位置对改性速生杨木的力学性能的影响变化规律，得到其基本力学性能的变化规律，确定不同配纤率和配纤位置下速生杨木胶结构件力学性能并进行缩尺柱和梁的受力性能试验研究。

钢板改性速生杨木的强度试验研究。根据前面的试验结果，考虑钢板的不同宽度、不同配钢率和不同位置对改性速生杨木的力学性能的影响变化规律，得到其基本力学性能的变化规律。确定不同配钢量及不同位置下速生杨木的力学性能，并进行缩尺柱和梁的受力性能试验研究。

结构体系的优选及构造研究。根据前面研究结果，选取合理经济的改性杨木形式，比较最优设计方案并研究构造节点的连结方式，通过对梁柱体系和剪力墙体系进行研究分析，并对其力学性能进行评判。

速生杨木加工图如图1 所示。改性速生杨木应力应变曲线如图2 所示。

图1 速生杨木加工图

图2 改性速生杨木应力-应变曲线图

3 关键技术

3.1 材料改性技术

首先，在研究速生杨木原木性能的基础上将速生杨木切割为不同厚度的试件，然后用结构胶进行胶结改性，对不同厚度和不同纹理改性速生杨木的抗压强度进行试验研究并分析其力学性能指标，探索合理厚度、强度和价格之间的最合理结合点。其次，考虑碳纤维布的不同纹理方向、不同配纤率、不同位置对改性速生杨木的力学性能的影响变化规律，得到其基本力学性能的变化规律。最后，考虑钢板的不同宽度、不同配钢率和不同位置对改性速生杨木的力学性能的影响变化规律，得到其基本力学性能的变化规律；确定碳纤维和钢板对速生杨木的最优配置方式。

3.2 构件改性技术

现代装配式木结构研究主要分为柱、梁、板、构造节点等部分。首先针对缩尺柱采用结构胶、碳纤维布、钢板不同加固形式下分析其力学性能，得到为满足结构安全性能需求速生杨木改性构件的经济合理的组合方式。其次，对不同结构形式短柱在结构胶和钢板的影响下的力学变化规律。最后，针对不同改性技术的梁进行力学分析，得到相应的力学规律和最优的改性技术方案。

3.3 结构体系和梁柱节点的构造技术

选取该种改性木材下的最优设计方案、结构体系，并在梁柱节点等连接技术进行改进，为改性速生杨木构件设计木结构设计提供基础。

4 发展趋势

中国木结构在初期发展阶段主要发展趋势如下：①发展绿色建筑、装配式建筑、节能环保性建筑将是未来发展的方向。②该建筑体系将大量应用于特色建筑群、个性化建筑、文化旅游类项目。③展示型建筑、旅游度假村等将会有大量应用，可以展示高端大气、高品质生活。④在宗教文化建筑及传统文化建筑方面占有不可替代的作用。⑤将在建筑工业化中得到大量的应用。推进装配式建筑的过程中木结构的发展是一个契机，未来在装配式工业化的道路上将会有大量的应用。⑥在大跨度建筑中得到应用和推广。

5 应用前景

如今中国经济发展突飞猛进，工业化建设步伐也日益加快，中国的生态建设也是一路高歌猛进，使得人们对资源的需求更是逐年增多。在建筑领域，各种材料的需求也是不断增加。人们逐渐意识到传统的材料——木材，更符合21 世纪新的环境与材料相协调发展的趋势，更符合绿色可持续发展的要求。

由此可预见，在现代新型城镇化建设与高端社区别墅建设中木材资源将备受民众喜爱，成为高端产品。归其主要原因，则是木材在建筑领域具有突出的优越性能，具体有以下几点：①绿色环保。木材是绿色的可再生资源，木结构房屋也是环保趋势。木质产品无异味，无有毒有害气体，作为建筑材料也满足健康环保要求。②结构安全。木结构产品结构性能优越，在周期性疲劳破坏与瞬间冲击荷载中具有良好的延性，并且强度刚度大。相对于钢筋混凝土结构具有自重轻、延性好、在地震荷载作用下稳定性突出。例如，日本在地震多发区沿海区房屋建筑多为木结构。③保湿保温。木材细胞壁较稀松，细胞组织独特，与空气中的水分子反应较大，具有自吸湿与解吸功能，与周围环境融合较为密切，对室内温度湿度变化较敏感，能起到保温保湿效果。④设计多样。木制品施工简单，选择多样，对房型设计适应性强，可达到个性突出、灵活多变的设计效果。

随着中国对木质建筑的重视和政策上的引导以及人们回归自然的心态，一定会促使木质资源在中国得到广泛应用。