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1、木結(jié)構(gòu)工程材料簡(jiǎn)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)試。
主要力學(xué)性能檢測(cè)方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
1、國(guó)外木結(jié)構(gòu)工程材料檢測(cè)方法
木結(jié)構(gòu)工程材料力學(xué)性能檢測(cè)裝備現(xiàn)狀□國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外相關(guān)檢測(cè)裝備,同時(shí)重點(diǎn)介紹了國(guó)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(cè)設(shè)備。在國(guó)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(cè)技術(shù)研究方面,主要開展了彈性模量和缺陷無損檢測(cè)技術(shù)研究等。彈性模量的無損檢測(cè)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(cè)朝著高速化、智能化方向發(fā)展。
2、國(guó)外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有:美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測(cè)方法
在國(guó)內(nèi),隨著木結(jié)構(gòu)工程材料市場(chǎng)需求量的逐漸增加,相關(guān)產(chǎn)品及其檢測(cè)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(cè)試,大多采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試法。應(yīng)力波與超聲波法雖已應(yīng)用于彈性模量測(cè)試及其在線檢測(cè)方面,但研究成果較少。
4、國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
目前已木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)的國(guó)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(cè)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(duì)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(cè)技術(shù)的水平和評(píng)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(cè)裝備成為了首要任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)外已開發(fā)了多種檢測(cè)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(cè)。
1、通用力學(xué)性能檢測(cè)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(duì)多種木結(jié)構(gòu)件進(jìn)行性能檢測(cè)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(cè)試設(shè)備、蠕變和撓度測(cè)試設(shè)備、彈性模量檢測(cè)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??刂葡到y(tǒng)發(fā)出給定信號(hào),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(hào)反饋給控制系統(tǒng),再與控制系統(tǒng)中的給定信號(hào)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(cè)試。
(2)靜曲強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備
靜曲強(qiáng)度測(cè)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(zhǎng),寬和時(shí)間),然后啟動(dòng)測(cè)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(cè)到試件后降至一個(gè)恒定的速度對(duì)試件進(jìn)行加載。通過測(cè)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(cè)試設(shè)備
蠕變和撓度測(cè)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(cè)設(shè)備
彈性模量的檢測(cè)設(shè)備按照檢測(cè)原理來分,主要有三種:第一,基于振動(dòng)法的彈性檢測(cè)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(hào)通過電荷放大器進(jìn)入四通道多功能分析儀,對(duì)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(cè)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(cè)設(shè)備,主要組成是聲發(fā)射器、聲接收器和超聲波測(cè)試儀。超聲波產(chǎn)生聲脈沖進(jìn)入被檢測(cè)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(hào)參數(shù)并進(jìn)行處理,進(jìn)行材料性質(zhì)預(yù)測(cè)。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(cè)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(cè)設(shè)備,主要由小錘、加速度傳感器、應(yīng)力波測(cè)試儀、計(jì)算機(jī)軟件等組成。該設(shè)備通過測(cè)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(cè)設(shè)備
這部分主要是介紹一些針對(duì)一種或幾種木結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)的設(shè)備,主要有立式彎曲試驗(yàn)機(jī)、剪力墻測(cè)試設(shè)備、沖擊載荷測(cè)試設(shè)備、疲勞強(qiáng)度測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的邊部施加載荷。開始工作前,按照標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試設(shè)備
剪力墻測(cè)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(cè)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(cè)試設(shè)備主要針對(duì)高度為2.4m或以上的墻體,通過測(cè)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(cè)試設(shè)備
沖擊載荷測(cè)試設(shè)備主要由沖擊錘、支撐橫梁、邊緣延長(zhǎng)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(cè)試工作,完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)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(guó)的Teco公司研發(fā)的QL-2型板材沖擊載荷測(cè)試機(jī),可進(jìn)行集中載荷和撓度、極限載荷、沖擊載荷測(cè)試,可測(cè)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(cè)試設(shè)備
目前國(guó)內(nèi)疲勞強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備主要是用于集裝箱底板測(cè)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(guó)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(duì)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(cè)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(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所(以下簡(jiǎn)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(cè)試、集中載荷測(cè)試、沖擊載荷測(cè)試于一體,功能強(qiáng)大,結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡(jiǎn)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(cè)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(cè)試;集三種加載方式的測(cè)試工作于一體,提高了人造板檢測(cè)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(cè)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(cè)的結(jié)構(gòu)鋸材通過一個(gè)檢測(cè)通道,在該檢測(cè)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(cè)得相應(yīng)的施加載荷,再將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過測(cè)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(jí)組進(jìn)行比對(duì),對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)鋸材做出強(qiáng)度分級(jí),并將該分級(jí)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(duì)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(cè)試儀
北京林機(jī)所研發(fā)的木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測(cè)試儀主要用于監(jiān)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(chǎng)和通道間干擾對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)載荷作用下溫濕度等對(duì)齒拔量影響情況,軟件采用圖形化開發(fā)平臺(tái)可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化分析,預(yù)測(cè)齒板的齒拔量變化趨勢(shì),研究實(shí)際工況下循環(huán)載荷對(duì)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(chǎng)存在著巨大潛力,對(duì)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(duì)產(chǎn)品采用無損檢測(cè)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(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的精確檢測(cè)與分析,對(duì)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(cè)技術(shù)和裝備有待提高。綜述,今后針對(duì)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(guó)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(cè)裝備,為我國(guó)木結(jié)構(gòu)工程材料的研制提供必要的檢測(cè)手段,并促進(jìn)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。