南方小杉木方胶合木柱力学性能试验研究

陈 强，杨 凌，谢子洪，沈 搏，谢兴华，包燕敏，李先民

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

木材的应用在中国已有四五千年的历史，至今依然应用在工业、农业以及生活的各个方面.木材具有重量轻、强重比高、弹性好、耐冲击、纹理色调丰富美观、加工容易等优点，是一种良好的承重材料.但是木节、裂缝等缺陷会影响木材强度，木材大小又受到先天生长环境的影响，同时木材又易受腐蚀、被虫蛀、且干燥易燃，因此限制了木结构的应用.胶合木结构是将厚度为20～45 mm、含水率低于18%的木板刨光后，经胶层叠压、胶合成各种形状和截面尺寸的构件及其组合结构.胶合木作为木材应用的主要形式，它具有重量轻、纹路清晰、绝缘、强度大和不易变形的优点，人们用层板胶合木可组成桁架、拱、框架、梁和柱等.目前，加拿大、美国均倾向于采用足尺试件进行测定来减少其他因素的影响，以获得更加准确的力学参数.文献[1-3]对原木进行了一系列研究，并利用超声波法来测量原木的力学性能，讨论如何更好地对原木进行储存.文献[4-9]对木-混凝土等工程木结构进行研究，设计了一种高层正交胶合木-混凝土核心筒混合结构，运用有限元分析方法，研究不同参数对该混合结构的力学性能、变形、动力特性等的影响.文献[10]进行了竹-原木组合梁受弯试验，表明竹-木组合结构能够协同工作.文献[11]对竹筋实木组合板小变形阶段的受弯性能进行了试验研究.文献[12-16]对胶合木组合结构进行了探索，但仅研究了大型木板和木方组合的力学性能，对小型木方组合截面形式及力学性能尚未予以研究.

本文针对现有小型杉木方胶合木柱力学性能研究的不足，利用目前南方速生小杉树加工成小木方胶合柱，对其受压性能进行研究，为应用开发一种绿色建筑材料提供理论和试验依据.

1 胶合木柱试件制作与试验

1.1 材料选用与尺寸

1)木材：选用南方小杉木方，参照 GB/T 1931-2009《木材含水率测量方法》[17]，测得该批胶合木的含水率为12%，宽×高为48 mm×45 mm，长度为150～500 mm.

2)胶合材料：白乳胶和固化剂，两者以 1/20的质量比例混合，承重结构胶黏剂应保证其胶合强度不低于木材顺纹抗剪和横纹抗拉强度.

3)胶合木柱尺寸：3 根胶合木柱编号分别为B-1、B-2、B-3，长×宽为223 mm×223 mm，高为1 000 mm.

1.2 原木材料性能测试

为了获得材料性能，参照 GB/T50329-2012《木结构试验方法标准》[18]，对15 个规格为80 mm×80 mm×240 mm 杉木短柱试件进行试验，测得小木方抗压弹性模量为3 468.8 MPa、抗压强度为25.46 MPa.

1.3 胶合木柱制作

1)挑选、拼接材料.挑选表面光滑平整无其他不良痕迹的木方，将木方切割成长短不等的木块.将木块拼接成木柱时，应注意不要将拼接点放在同一截面.

2)制作流程(见图 1).

图1 胶合木柱制作工艺流程

3)加工注意事项.挑选的木块必须保证表面光滑没有结点，无虫蛀、腐朽、髓心；粘接时木块之间要紧密粘接，木块之间不能出现缝隙，为了避免这种情况发生，在粘接时可以适当给予规定的压力使木块之间紧密粘接；每粘接一层时由于胶涂抹不匀等原因可能导致木柱表面不平整，因此，每粘接一层就要将表面锉平，以保证其表面平顺性.

1.4 试验方案

1)试验设备.采用5 000 kN 压力试验机进行抗压试验，选用XL2101C 程控静态电阻应变仪采集应变数据.为更好地测量木柱在竖向的应变，在木柱4 个侧面1/2 处柱高处，每个面均匀贴4个应变片，共16 个，通过各侧面的4 个应变片观察木柱在竖向的应变状况；另外，在木柱4 个侧面的中心点处，分别放置百分表测量试件的横向位移；试件的纵向位移从压力机上读取.应变片及百分表分布见图2.

图2 应变片及百分表分布

2)试验过程.在正式试验之前先进行预加载，检查16 个应变片的受力情况，任意2 个应变片受力数据的差值在5%之内，最后将16 个应变数据记录在表格中.试验中，液压机的加载速率为0.3～0.5 kN/s，以每级荷载梯度为20 kN 进行加载，每完成一级加载需等待1 分钟左右，使木柱传力分布均匀.位移计稳定后，记录电阻应变仪上的应变数据和位移计上的数据.

3)试验注意事项.木柱表面不平整将导致木柱受力不均匀，造成剪力过大而将试件破坏，影响试验的正常进行.因此，在进行试验前，需对木柱上、下表面进行打磨处理，以保证其水平.另外，为保证木柱轴心受压，木柱截面中心、压力机球铰中心及压力机中线需保持在同一纵向轴线上.

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

3 根胶合木柱轴心受压破坏形态见图 3.试验过程中，木柱B-1 在加载至600 kN 能够听到细微响声；加载至780 kN 时出现明显的劈裂声，木柱上部出现细微横向和竖向裂缝；继续加载至840～880 kN 时连续发出明显的劈裂声，且横向裂缝继续增大；加载至960～980 kN 时出现较大的响声，横向和纵向裂缝都继续增大；加载至1 000 kN时位移突增，木柱中上出现较大裂缝，并发生材料破坏.木柱B-2加载至660 kN时出现横向裂缝，加载至860～920 kN 时横向裂缝持续增大；加载至1 010 kN 时听到较大的劈裂声，发生材料破坏.木柱B-3 加载至860 kN 时出现较大的横向裂纹，加载至1 020 kN 时出现材料破坏.

2.2 极限承载力与应力应变

根据胶合木柱破坏试验，可得3 根试件的抗压极限承载力及对应的轴压极限应力应变，结果见表1.其中，N peak 为试件轴压极限承载力；σ 为试件轴压极限应力； εpeak为试件轴压极限应变.

表1 试件极限承载力与对应的轴压极限应力应变

2.3 试件受压荷载-应变关系

对3 根胶合木柱试件进行受压试验，根据试验数据整理可得到荷载-应变关系曲线，如图4 所示.由图4 可以发现，在受压的整个过程中3 根胶合木柱受压应变变化趋势相近，胶合木柱荷载-应变关系图可分为3 个阶段.

1)弹性阶段.当压应力小于极限应力 80%左右时，胶合木柱受压变化规律符合胡克定律，处于弹性工作阶段，即随着压应力的增大，木材本身内部纤维的空隙逐步压紧，管状细胞发生微小变形，此时荷载-应变关系成线性关系；当压应力达到峰值应力的80%时，伴随有木柱内部纤维挤压的细小声音.

2)弹塑性阶段.当压应力大于极限应力 80%左右时，曲线的斜率不断变小，由线性关系变为非线性关系.此时木材压缩变形幅度不断增大，管状细胞被逐步压溃，内部裂缝不断延伸，开始听到木材发生劈裂的响声，并随着压力的增大声音越来越大；当达到极限承载能力时，曲线斜率等于零，同时胶合木柱发生破坏并出现横向和纵向裂缝.

3)塑性阶段.当压应力达到峰值后，胶合木柱强度并没有完全消失，随着变形的增加，应力开始不断减小.胶合木柱B-1、B-2、B-3 的极限承载力相差不大，变化幅度均在 5%以内；其受压应变变化趋势基本相同，极限承载力达到80%左右才出现明显弹塑性，没有明显的破坏特征.

2.4 试件受压荷载-位移关系

胶合木柱的荷载-横向位移曲线和荷载-竖向位移关系曲线分别如图5 和图6 所示.

图4 荷载-应变关系曲线

图5 荷载-横向位移关系曲线

图6 荷载-竖向位移关系曲线

由图5 可以看出，在刚加载时试件主要受到压应力作用，处于弹性阶段，横向位移几乎不发生变化；随着压力增大，开始发生弹性变形，横向位移均匀变化但变化缓慢.进入弹塑性阶段后，横向位移明显增大，当横向位移达到 2～2.5 mm时，试件开始出现大幅度破坏，进入塑性阶段.

由图6 可以看出，胶合木柱在初始受压时发生的竖向位移变形比较大，这是由于胶合木柱在试验前预压不足，木方胶接处存在空隙，加压时发生压缩变形等原因造成的.随后竖向位移经历了3 个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段.不考虑预试验前段的变形位移，弹性阶段竖向位移基本上均匀增加；当加载到极限荷载的80%时，胶合木柱开始发生不同程度的横向和纵向破坏；当竖向位移达到7.59 mm 左右时，若继续加载，则竖向位移会突增.

2.5 承载能力稳定系数

以3 根胶合杉木短柱轴压试验数据作为承载能力稳定系数的计算依据，根据 GB50005-2017《木结构设计标准》[19]，对相关参数进行计算.

其中，1φ 为试验稳定系数值；Npeak为试件的稳定承载力试验值；A 为试件受压面积； fu为杉木短柱试件抗压强度.

结合前文试验所得杉木的强度，按式(2)和式(3)计算理论稳定系数2φ ：

其中，λ 为试件长细比； fck为受压构件材料的抗压强度标准值(N/mm2)； Ek为构件材料的弹性模量标准值(N/mm2)；a c ，bc为材料相关系数；β 为材料剪切变形相关系数.

轴心受压构件理论稳定承载力N0按

计算.实际稳定系数与理论稳定系数之差所占理论稳定系数的百分比 Δ1，实际承载力与理论承载力之差所占理论承载力的百分比 Δ2，按

计算.其中，φ1, φ2, N0, Δ1,Δ2计算结果见表2.

表2 试件受压性能参数试验值和理论值

根据 GB50005-2017《木结构设计标准》[19]计算大小一致的原木柱在相同尺寸下的理论承载力为1 266.1 kN，同时算得稳定系数为0.95.由表2 可看出，胶合木柱计算承载力达到1 159.9 kN，稳定系数达到0.946，与原木柱理论的承载力相差106.2 kN，而稳定系数基本相等.

3 结论

1)试件在极限荷载时均发生了材料破坏，荷载-应变曲线呈现出弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段.木柱竖向变形随着荷载的不断增加，前期呈线性变化；当荷载达到极限荷载的80%时，随着荷载的增大，进入塑性变形阶段.

2)试件抗压承载力平均值为973.3 kN，说明小木方胶合后能协调发挥各自的抗压性能.

3)胶合木柱试件相比理论大小的原木柱极限承载力降低了16.09%，满足工程要求.