木結(jié)構(gòu)材料性能檢測研究

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木結(jié)構(gòu)工程材料

1、木結(jié)構(gòu)工程材料簡介

與普通的非結(jié)構(gòu)用板材相比，木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能較高、板材層數(shù)較多、厚度較大，最重要的是木結(jié)構(gòu)工程材料具有強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著建筑、橋梁、道路、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)木結(jié)構(gòu)工程材料的需求量日益增加，具有巨大的市場潛力，因此，急需開發(fā)高性能、低成本、環(huán)保的木結(jié)構(gòu)工程材料，包括物理力學(xué)性能好、握釘力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)性能和尺寸穩(wěn)定性好、耐老化及耐化學(xué)腐蝕的結(jié)構(gòu)板材。

2、木結(jié)構(gòu)工程材料的主要力學(xué)性能

木結(jié)構(gòu)工程材料必須具有一定的承載能力。除了要求具有良好的外觀性能、物理性能、表面性能、耐久性（老化性能）、加工性能以外，對于木結(jié)構(gòu)大尺寸構(gòu)件的彈性模量、靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、握螺釘力和沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)提出了更高的要求。因此，必須對其進(jìn)行機(jī)械分等、均布載荷、集中靜載和沖擊載荷等力學(xué)性能測試。

主要力學(xué)性能檢測方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1、國外木結(jié)構(gòu)工程材料檢測方法

木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能檢測裝備現(xiàn)狀□國家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所張偉金征楊建華□中國林科院林業(yè)新技術(shù)研究所張偉金征由于木結(jié)構(gòu)工程材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，其應(yīng)用越來越廣泛。本文概況介紹了木結(jié)構(gòu)工程材料的主要力學(xué)性能及其國內(nèi)外相關(guān)檢測裝備，同時(shí)重點(diǎn)介紹了國家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)的相關(guān)檢測設(shè)備。在國外，木結(jié)構(gòu)工程材料是主要的建筑材料和結(jié)構(gòu)材料之一。在木結(jié)構(gòu)工程材料物理力學(xué)性能檢測技術(shù)研究方面，主要開展了彈性模量和缺陷無損檢測技術(shù)研究等。彈性模量的無損檢測方法主要有機(jī)械分等法、振動(dòng)法、超聲波法、應(yīng)力波法等，其中機(jī)械分等法、振動(dòng)法應(yīng)用廣泛。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，力學(xué)性能檢測朝著高速化、智能化方向發(fā)展。

2、國外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：美國工程木協(xié)會(huì)（APA）了關(guān)于建筑覆面板材料的APAPS1-95《建筑和工業(yè)用膠合板》、APAPS2-2004《木基結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)方法》、APAPRP108《建筑板材性能標(biāo)準(zhǔn)和資格政策》等，加拿大了國家標(biāo)準(zhǔn)CAN/CSA-0325.0-92《建筑結(jié)構(gòu)覆板標(biāo)準(zhǔn)》、CAN/CSA-0325.1-92《建筑結(jié)構(gòu)覆板性能試驗(yàn)方法》，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)了ASTME72-1995《建筑用面板傳導(dǎo)強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》、ASTMD2718-2000《結(jié)構(gòu)板平面剪切(滾剪)試驗(yàn)方法》、ASTMD3500-90(2003)《結(jié)構(gòu)板抗拉結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)方法》、ASTMD3499-94(2005)《木質(zhì)結(jié)構(gòu)板抗沖擊韌性的試驗(yàn)方法》、ASTMD3043-00(2006)《檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)板彎曲情況的標(biāo)準(zhǔn)方法》、ASTMD3044-94(2006)《檢驗(yàn)?zāi)举|(zhì)結(jié)構(gòu)板剪切模數(shù)的試驗(yàn)方法》、ASTMD2719-89(2007)《結(jié)構(gòu)板縱向剪切的試驗(yàn)方法》、以及ASTMD3501-05a《木質(zhì)結(jié)構(gòu)板的壓縮試驗(yàn)方法》等。

3、國內(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測方法

在國內(nèi)，隨著木結(jié)構(gòu)工程材料市場需求量的逐漸增加，相關(guān)產(chǎn)品及其檢測技術(shù)研究開始起步。主要開展了彈性模量、蠕變性能、握釘力、沖擊荷載性能、均布荷載性能及尺寸穩(wěn)定性等測試，大多采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)常規(guī)力學(xué)性能測試法。應(yīng)力波與超聲波法雖已應(yīng)用于彈性模量測試及其在線檢測方面，但研究成果較少。

4、國內(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前已木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T19536-2004《集裝箱底板用膠合板》、GB/T21128-2007《結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合板》、GB/T22349-2008《木結(jié)構(gòu)覆板用膠合板》、GB/T17656-2008《混凝土模板用膠合板》、GB/T50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、LY/T1927-2010《集成材理化性試驗(yàn)方法》。

木結(jié)構(gòu)工程材料主要檢測裝備

木結(jié)構(gòu)工程材料克服了木材自身的缺點(diǎn)，比如因組織構(gòu)造和干縮濕漲導(dǎo)致的力學(xué)性能各向異性、天然缺陷和幅面尺寸限制等，具有強(qiáng)重比大、尺寸穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，所以在使用過程中逐漸成為了木材與人造板的一個(gè)重要分支品系。隨著進(jìn)一步深化對各種用途的鋸材與板材產(chǎn)品木材原料的優(yōu)材優(yōu)用、適材適用，鋸材與板材產(chǎn)品質(zhì)量的可控性引起了廣泛關(guān)注，尤其是作為木質(zhì)工程材料時(shí)，木結(jié)構(gòu)工程材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是必不可少的一環(huán)。產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)室和工廠化在線檢測技術(shù)的水平和評價(jià)體系是否完善，因此，開發(fā)木結(jié)構(gòu)工程材料性能檢測裝備成為了首要任務(wù)。目前國內(nèi)外已開發(fā)了多種檢測設(shè)備，能夠?qū)δ窘Y(jié)構(gòu)工程材料進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的檢測。

1、通用力學(xué)性能檢測設(shè)備

這部分主要是介紹一些可以普遍使用，或是可以針對多種木結(jié)構(gòu)件進(jìn)行性能檢測實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，主要有萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、靜曲強(qiáng)度測試設(shè)備、蠕變和撓度測試設(shè)備、彈性模量檢測設(shè)備等。

（1）萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)主要包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)、齒輪、皮帶、橫梁系統(tǒng)、功能附件及反饋裝置等。控制系統(tǒng)發(fā)出給定信號，通過功率放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪和皮帶運(yùn)行，使橫梁開始移動(dòng)，反饋裝置將橫梁的位移信號反饋給控制系統(tǒng)，再與控制系統(tǒng)中的給定信號比較，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過配置不同功能附件來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸結(jié)構(gòu)膠合板試件的拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)的測試。

（2）靜曲強(qiáng)度測試設(shè)備

靜曲強(qiáng)度測試設(shè)備主要由支撐、壓頭、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝載一個(gè)試件到兩個(gè)支撐上，在控制臺(tái)輸入所需參數(shù)（長，寬和時(shí)間），然后啟動(dòng)測試程序。實(shí)驗(yàn)壓頭從原始位置迅速移動(dòng)，直到接近開關(guān)檢測到試件后降至一個(gè)恒定的速度對試件進(jìn)行加載。通過測量載荷和相應(yīng)的形變，得到的載荷-撓度曲線，通過斜率可以計(jì)算出剛度和彈性模量，并顯示于控制臺(tái)。

（3）蠕變和撓度測試設(shè)備

蠕變和撓度測試設(shè)備主要由支撐、施壓裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在恒定外力作用下,木材應(yīng)變隨時(shí)間而增加稱為蠕變。撓度是指梁、桁架等受彎構(gòu)件在荷載作用下的的豎向變形。在考慮某種木質(zhì)材料是否適用于結(jié)構(gòu)工程時(shí)，其蠕變特性是一個(gè)重要因子。木材蠕變受溫度、含水率、加載方式、應(yīng)力水平、樹種和材質(zhì)變異等因素影響。撓度與荷載大小、構(gòu)件截面尺寸以及構(gòu)件的材料物理性能有關(guān)。

（4）彈性模量檢測設(shè)備

彈性模量的檢測設(shè)備按照檢測原理來分，主要有三種：第一，基于振動(dòng)法的彈性檢測設(shè)備，主要由力錘（頭部裝有力傳感器）、加速度傳感器、電荷放大器、四通道多功能分析儀等組成。試樣一端固定，一端自由。由懸臂梁的前5階振型函數(shù)圖線可知，自由端不是節(jié)點(diǎn)，可把加速度傳感器用石蠟固定在自由端處。用力錘敲擊試樣（敲擊處靠近固定端），力錘上的力傳感器及加速度傳感器產(chǎn)生的信號通過電荷放大器進(jìn)入四通道多功能分析儀，對其進(jìn)行頻響函數(shù)分析和模態(tài)分析，得到試樣固有頻率。根據(jù)檢測到的頻率信息來計(jì)算試件的強(qiáng)度。第二，基于超聲波的彈性模量檢測設(shè)備，主要組成是聲發(fā)射器、聲接收器和超聲波測試儀。超聲波產(chǎn)生聲脈沖進(jìn)入被檢測材料中，經(jīng)過穿透、反射、衰減，被另一端的傳感器收集，通過提取不同信號參數(shù)并進(jìn)行處理，進(jìn)行材料性質(zhì)預(yù)測。不同的超聲波參數(shù)（傳播時(shí)間、傳播速度、能量峰值、頻率）可用來檢測板材的彈性模量、表面缺陷、結(jié)構(gòu)材腐朽程度等。第三，基于應(yīng)力波的彈性模量檢測設(shè)備，主要由小錘、加速度傳感器、應(yīng)力波測試儀、計(jì)算機(jī)軟件等組成。該設(shè)備通過測量應(yīng)力波在試件中的傳輸速度，結(jié)合試件的密度，來計(jì)算試件的彈性模量。

2、專用力學(xué)性能檢測設(shè)備

這部分主要是介紹一些針對一種或幾種木結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能檢測的設(shè)備，主要有立式彎曲試驗(yàn)機(jī)、剪力墻測試設(shè)備、沖擊載荷測試設(shè)備、疲勞強(qiáng)度測試設(shè)備、結(jié)構(gòu)膠合板力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、結(jié)構(gòu)鋸材機(jī)械應(yīng)力分等試驗(yàn)機(jī)、木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測試儀等。

（1）立式彎曲試驗(yàn)機(jī)

立式彎曲試驗(yàn)機(jī)由兩組加載框架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中加載框架由主動(dòng)立柱和從動(dòng)立柱構(gòu)成，通過兩組加載框架分別在板材兩端相對應(yīng)的邊部施加載荷。開始工作前，按照標(biāo)準(zhǔn)要求的測試間距，主動(dòng)立柱移至相應(yīng)位置，且保證兩立柱之間的距離和平行度。測試開始后，加載框架以其主動(dòng)立柱為軸心作圓弧運(yùn)動(dòng)來彎曲板材，兩端提供大小相等且反向的彎曲力矩，變形量測量精度達(dá)到0.02mm。主要用于大尺寸結(jié)構(gòu)板材或截取板條的彎曲特性試驗(yàn)。

（2）剪力墻測試設(shè)備

剪力墻測試設(shè)備主要由固定框架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。根據(jù)建筑墻體受力特點(diǎn)，主要測試結(jié)構(gòu)鋸材與板材墻體抵抗水平風(fēng)載和地震荷載作用的能力。剪力墻測試設(shè)備主要針對高度為2.4m或以上的墻體，通過測試與分析不同構(gòu)造參數(shù)，如墻板安裝的連接方式、連接件規(guī)格及性能參數(shù)、連接件中心間距等，研究剪力墻承載能力和剛度及其影響因素。

（3）沖擊載荷測試設(shè)備

沖擊載荷測試設(shè)備主要由沖擊錘、支撐橫梁、邊緣延長支撐、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制器等部分組成，通過電腦控制系統(tǒng)完成測試工作，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。當(dāng)板材放置在支撐橫梁上并固定后，由計(jì)算機(jī)控制沖擊錘自由落下，記錄碰撞時(shí)刻的板材的受力和位移等信息。美國的Teco公司研發(fā)的QL-2型板材沖擊載荷測試機(jī)，可進(jìn)行集中載荷和撓度、極限載荷、沖擊載荷測試，可測試件厚度為1/4～9/8inch，幅面為16inch、20inch、24inch、32inch、40inch和48inch。

（4）疲勞強(qiáng)度測試設(shè)備

目前國內(nèi)疲勞強(qiáng)度測試設(shè)備主要是用于集裝箱底板測試，該設(shè)備主要由荷載小車、固定框架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。按照國家標(biāo)準(zhǔn)物理力學(xué)性能指標(biāo)要求，集裝箱用木底板通常進(jìn)行滾壓剪切強(qiáng)度檢驗(yàn)，即采用在滿荷載下往復(fù)行進(jìn)的動(dòng)荷載的沖壓下進(jìn)行7260kg荷載小車實(shí)驗(yàn)。執(zhí)行抽檢程序，檢驗(yàn)其瞬間疲勞強(qiáng)度沖擊下底板的最大變形和永久變形。借此不僅可對底板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、膠合強(qiáng)度、含水率、密度等各項(xiàng)指標(biāo)做出全面的檢測和分析，而且通過7260kg小車承載大型試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際受力情況，更能真實(shí)地反映出底板的整體性能及其穩(wěn)定程度。

（5）結(jié)構(gòu)膠合板力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)

國家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所（以下簡稱北京林機(jī)所）研發(fā)的結(jié)構(gòu)膠合板力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備集均布載荷測試、集中載荷測試、沖擊載荷測試于一體，功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便、實(shí)用性和通用性較強(qiáng)。集中載荷和沖擊載荷模擬屋面板、墻面板或樓面板實(shí)際受力情況，將板材試件平置在3根等距的支承構(gòu)件上，形成雙跨連續(xù)板，根據(jù)板材兩端邊緣的支承情況分為3種受力態(tài)，施加載荷于最不利位置，檢測板材的撓度和極限載荷。按照實(shí)際工況，該設(shè)備能夠完成1220mm×1220mm大尺寸板材標(biāo)準(zhǔn)跨距300mm、400mm、500mm和600mm的測試；集三種加載方式的測試工作于一體，提高了人造板檢測效率和便利性；固定塊可以滿足45mm×90mm、40mm×90mm以及更小木方截面尺寸的固定，調(diào)整方便；加載盤通過關(guān)節(jié)球軸承與連接軸相連，加載盤可以在一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)均勻加載；整個(gè)試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并有手動(dòng)或自動(dòng)試驗(yàn)方式以供選擇；整個(gè)設(shè)備采用了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性測試。

（6）結(jié)構(gòu)鋸材機(jī)械分等試驗(yàn)機(jī)

北京林機(jī)所研發(fā)的結(jié)構(gòu)鋸材機(jī)械分等試驗(yàn)機(jī)是將被測的結(jié)構(gòu)鋸材通過一個(gè)檢測通道，在該檢測通道中使得結(jié)構(gòu)鋸材在不破壞的情況下，形成恒定的彈性變形，測得相應(yīng)的施加載荷，再將所測得的數(shù)據(jù)通過測力傳感器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，算出該結(jié)構(gòu)鋸材的抗彎彈性模量的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)分級組進(jìn)行比對，對被測結(jié)構(gòu)鋸材做出強(qiáng)度分級，并將該分級結(jié)果輸出。該設(shè)備不僅結(jié)合木材樹種、幾何尺寸、含水率、紋理斜度等因素，還要綜合考慮木材的加載方式、運(yùn)動(dòng)速度、作用力、位移量等控制參數(shù)，以及設(shè)備振動(dòng)、環(huán)境溫濕度等因素的影響，通過建立結(jié)構(gòu)木材的強(qiáng)度與抗彎彈性模量的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)木材質(zhì)量控制和快速分等。

（7）木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測試儀

北京林機(jī)所研發(fā)的木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測試儀主要用于監(jiān)測循環(huán)載荷作用下齒板變形量。該設(shè)備由溫濕度傳感器、高精度LVDT位移傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、RS485/RS232串口轉(zhuǎn)換模塊及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等組成。該測試系統(tǒng)可監(jiān)測齒板連接處發(fā)生微小變形量，通過垂直安裝在同一連接齒板的3個(gè)不同位置的三路高精度LVDT位移傳感器來長期監(jiān)測齒板的齒拔量。數(shù)據(jù)采集模塊具有16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，8路差分輸入，提供RS-485接口與上位機(jī)連接，且?guī)в懈哌^壓保護(hù)，避免因現(xiàn)場和通道間干擾對數(shù)據(jù)采集的影響。測試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測循環(huán)載荷作用下溫濕度等對齒拔量影響情況，軟件采用圖形化開發(fā)平臺(tái)可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化分析，預(yù)測齒板的齒拔量變化趨勢，研究實(shí)際工況下循環(huán)載荷對齒板連接性能的影響。

結(jié)語

隨著建筑、橋梁、房屋、道路、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，木結(jié)構(gòu)工程材料的市場存在著巨大潛力，對優(yōu)質(zhì)木結(jié)構(gòu)工程材料的需求量日趨增加。因?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量控制水平要求的進(jìn)一步提升，以及對產(chǎn)品采用無損檢測方式的追求，近年來，研究者開發(fā)了上述木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的精確檢測與分析，對木結(jié)構(gòu)建筑有著非常重要的分析價(jià)值和指導(dǎo)意義。但是總體而言，足尺結(jié)構(gòu)板產(chǎn)品檢測技術(shù)和裝備有待提高。綜述，今后針對不同用途、不同材料和性能要求的木結(jié)構(gòu)工程材料，要加強(qiáng)重視和投入力度，重點(diǎn)研發(fā)出適合于我國木結(jié)構(gòu)工程材料大型生產(chǎn)企業(yè)和科研單位所需的檢測裝備，為我國木結(jié)構(gòu)工程材料的研制提供必要的檢測手段，并促進(jìn)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。