LVL工字梁的设计制造及其力学性能检测与应用

梁星宇， 宋利明， 何宇航， 谢文博， 王 军， 杨小军， 王 正*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037；3.江苏金迪木业股份有限公司，江苏 泗阳 223700)

单板层积材(LVL)作为一种具有突出优点和应用价值较高的工程结构材料，其结构力学性能和可靠度成为人们所关注的焦点之一[1，2]。工程结构材料的力学性能指标是决定其抵抗破坏或失效能力的最重要因素。LVL是由小径级原木制成的结构胶合板，即将原木旋切成单板，经过干燥，顺纹组坯，贴面和胶合而成[3-5]。相较于其他锯材，LVL的主要优势体现在其强度和刚度力学性能高，耐候性强和尺寸稳定性好等方面，广泛应用于过梁、桁架、工字梁、墙托架、木门、脚手架、横担木、人字梁和梯子、预制房屋、活动房屋、卡车车厢板、集装箱底板等诸多领域。木工字梁可作为建筑结构使用，又被称之为木工字格栅，是利用规格材或结构用复合材料如LVL等作翼缘，木基结构板如定向刨花板(OSB)等作为腹板，并用结构型胶粘剂如异氰酸酯胶(PMDI)等粘接的一种建筑结构材料。2019年，李军伟的研究表明了与实木梁相比，木结构工字梁具有更高的强度，刚度和尺寸稳定性，具有更大的跨度能力以及更小的翘曲，扭曲和劈裂的发生几率，具有更低的伸缩率的力学性能[6]。木结构工字梁具有刚度高，重量轻和不易变形的特点[7，8]。目前，国内对LVL工字梁的研究较少，特别是具体的设计制造方面较为空白；而国外更多地聚焦在工字梁的开孔性能以及建模预测上[9]。LVL工字梁是以单板层积材作为翼缘，具有优秀的连续性和稳定性，可根据具体实际的长度要求进行生产，能做到小才大用，劣材优用，极大地节省国内木材资源。

为了提高国产LVL产品的技术含量和附加值水平，本文对经用动态弹性模量质量分等后A、B等级的LVL板材分别制成的LVL木结构工字梁部件开展相关力学性能试验研究，以期为提升木结构建筑工程中国产LVL产品的实际应用提供技术支撑。

1 LVL木结构工字梁的设计与制造

本木结构工字梁的翼缘材料为LVL，其平均含水量为13%，平均气干密度为549 kg/m3，LVL试件A和LVL试件B的平均弹性模量分别为13.16 GPa和11.09 GPa，平均剪切模量分别为838 MPa和770 MPa；腹板材料为OSB，其平均含水量为9%，平均气干密度为610 kg/m3，平均弹性模量为6 322 MPa，平均剪切模量为1 312 MPa。

1.1 LVL工字梁的设计

依据GB/T 28985-2012《建筑结构用木工字梁》[10]，本工字梁截面尺寸为60 mm×240 mm，如图1所示。其中，翼缘材料为LVL的厚度和宽度分别为30 mm和60 mm；腹板选用OSB，其厚度为12 mm。

图1 工字梁截面尺寸

1.2 LVL工字梁的制造工艺

工字梁翼缘采用经动态法检测与质量分等的A、B等级的LVL板材。其工字梁的制造工艺有八道工序，即：LVL整板的翼缘抽条，翼缘开槽，腹板OSB锯切，腹板OSB打磨，翼缘槽口涂胶，翼缘腹板组装，整板压制和养生。其中，翼缘抽条工序是将经过质量分选的LVL板材放置在抽条机上，经设置抽条宽度尺寸参数为60 mm后，再将LVL板材抽条成等宽为60 mm板条形成未开槽翼缘件。翼缘开槽工序采用数控机床加工。通过将抽条过后的LVL翼缘放置在CNC上固定，确保整个试件与刀具锯路平行；再由程序控制开槽，其槽口深度为12 mm，翼缘开槽如图2所示。

图2 翼缘开槽

整板压制工序是将开槽后的翼缘与锯切后的OSB腹板进行组装。先将主要成分为异氰酸酯的ICEMA R645/30胶水均匀涂抹在翼缘槽口内，再将腹板安装在上下翼缘板之间；然后将整个组装好的工字梁依次放置在压机上进行压制，其压力为7 MPa，压制时间为4 h，LVL工字梁压制如图3所示。养生工序是将工字梁码放在室内通风环境中，经过15天的养生处理，以保证工字梁的尺寸稳定性。

图3 LVL工字梁压制

2 LVL工字梁的抗压承载力测定

2.1 材料与设备

(1)抗压承载力试件。规格为305 mm×240 mm×60 mm的A等级和B等级的LVL工字梁各9根，共18根。

(2)万能力学试验机1台，其最大荷载为1 000 kN，精度为10 N；钢卷尺1把，其量程为0～5 m，精度为1 mm；游标卡尺1把，其量程为0～125 mm，精度为0.1 mm；秒表1把。

2.2 测定方法与原理

本试验依据GB/T28985-2012《建筑结构用木工字梁》。其检测原理为：通过均布荷载使试件产生破坏，确定试件的承压能力，包括翼缘的抗压能力和腹板的抗屈曲能力，抗压承载力测定示意图如图4所示。

图4 抗压承载力测定示意图

其主要测试步骤为：首先将试件放置在力学试验机上，支承垫块和加载垫块的长度应大于试件上、下翼缘尺寸，抗压承载力测试如图5所示。然后，选择合适的加载速度，匀速加载；试样破坏时间应大于1 min小于10 min，并记录试件的最大荷载和破坏模式。

图5 抗压承载力测试

2.3 结果与分析

抗压承载力试件力—形变曲线如图6所示，当加载到最大荷载时，工字梁腹板(OSB)首先发生结构破坏，即其腹板发生外鼓屈曲；然后工字梁整体性遭到破坏，且试验结束，并由此得到工字梁的抗压承载力，抗压承载力见表1。

图6 抗压承载力试件力—形变曲线

表1 抗压承载力

由表1可知，采用A等级LVL翼缘制造的工字梁平均抗压承载力大于采用B等级LVL翼缘制造的工字梁。其中A等级LVL翼缘制造的工字梁最大抗压承载力为102.62 kN/m，最小值为82.95 kN/m；B等级LVL翼缘制造的工字梁最大抗压承载力为94.33 kN/m，最小值为82.07 kN/m。在腹板OSB采用相同条件下，A等级翼缘的抗压能力强于B等级翼缘，使得整体试验结果较优异。

3 LVL工字梁的抗剪承载力测定

为了确定试件的腹板-翼缘胶合性能、腹板性能，本研究通过单点加载方式进行剪切破坏试验。

3.1 材料与仪器

抗剪承载力试件：A等级和B等级的LVL工字梁尺寸规格为1 500 mm×240 mm×60 mm，各2根，共4根。测试仪器同2.1。

3.2 测定方法与原理

每个等级测试2个工字梁试件。抗剪承载力测试示意图如图7所示，按图所示调整两支承垫块中心跨距，支承垫块与加载垫块内侧之间距离应大于或等于样本公称高度的1.5倍；保证试件两侧端头超出支承垫块的长度不大于6 mm。

图7 抗剪承载力测试示意图

图8 抗剪承载力测试现场

本试验的加载位置在试件长度方向的中点。其支承垫块和加载垫块的长度分别为100 mm和200 mm，宽度均大于试件的宽度；如果测试腹板有端接的情况时，端接处与支承垫块的间距应为305 mm；选择合适的加载速度，匀速加载；试样破坏时间应大于1 min，小于10 min，并记录试件的最大破坏荷载[9]。

试件的抗剪承载力V按式(1)计算，精确至 0.01 kN。

(1)

式中：V为单个试件的抗剪承载力，kN；P为最大破坏荷载，kN。

3.3 结果与分析

工字梁抗剪承载力—位移曲线如图9所示，测定开始持续加载到胶接处开裂，此时工字梁还能保持整体性，继续加载，其挠度增加，直至腹板—翼缘处完全断裂，结构完全失效，其测定结束。

图9 工字梁抗剪承载力—位移曲线

工字梁抗剪承载力见表2，对于最大破坏荷载和抗剪承载力，A等级木工字梁均优于B等级木工字梁。其中编号为A1的木工字梁最大抗剪承载力为12.64 kN；编号为B1的木工字梁抗剪承载力最小，为11.29 kN。

表2 工字梁抗剪承载力

4 结论

本文通过经动态检测与质量分等的同批次A、B等级的意杨LVL作为翼缘设计并制造的同规格的工字梁，其试件A和试件B的平均弹性模量分别为13.16 GPa和11.09 GPa，平均剪切模量分别为838 MPa和770 MPa。并对其工字梁试件开展了抗压承载力和抗剪承载力的性能测定。其结论表明，采用A和B等级LVL翼缘制造的工字梁平均抗压承载力分别为92.61 kN/m和90.66 kN/m，均符合要求。其中，A等级工字梁比B等级工字梁的平均抗压承载力高2.1%；采用A等级和B等级LVL翼缘制造的工字梁平均抗剪承载力分别为12.18 kN和11.80 kN，即A等级工字梁比B等级工字梁的平均抗压承载力高3.2%，且均符合要求。本研究有利于提高LVL结构材料的工程应用价值。