王 麗 王 滋 丁青鋒 武國芳 趙榮軍

近年來，隨著國家對森林可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識的提高，人工林的培育和營造受到高度重視，其中落葉松在我國人工林中占較大比例。興安落葉松是生長在我國東北林區(qū)大小興安嶺一帶的落葉松屬樹種，具有紋理筆直，結(jié)構(gòu)細(xì)密等優(yōu)點(diǎn)[1]；日本落葉松是我國引種的人工林樹種之一，是落葉松屬適應(yīng)范圍廣、生長潛力大的樹種，具有樹干端直，生長速度較快，耐腐性較好，力學(xué)性能較高等優(yōu)點(diǎn)[2]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑源自北美，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、施工效率高等特點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代即被引入我國[3-4]。目前對國產(chǎn)落葉松規(guī)格材在輕型木桁架中的應(yīng)用研究較少，為了能夠科學(xué)評價國產(chǎn)落葉松在輕型木桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛能，實(shí)現(xiàn)輕型木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展，對國產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)連接性能的研究很有必要。

選用日本落葉松（Larix kaempferi）、興安落葉松（Larix gmelinii）兩種規(guī)格材，以進(jìn)口規(guī)格材北美云杉（Picea sitchensis）為參照對象，與國產(chǎn)齒刻痕齒板制成齒板連接節(jié)點(diǎn)試件，通過拉伸試驗(yàn)對其節(jié)點(diǎn)的抗拉極限承載力、臨界滑移剛度、延性、破壞形式以及三個樹種規(guī)格材順紋抗拉強(qiáng)度的比較，探究國產(chǎn)規(guī)格材在齒板連接性能方面存在的優(yōu)劣勢，完善國產(chǎn)結(jié)構(gòu)材體系。

1 材料與方法

1.1 材料

1）規(guī)格材日本落葉松（Larix kaempferi），原木采自遼寧清原大孤家林場，氣干密度范圍：0.57～0.80 g/cm3；興安落葉松（Larix gmelinii），是采購于大興安嶺的板材，氣干密度范圍：0.47～0.76 g/cm3；北美云杉（Picea sitchensis）為加拿大進(jìn)口規(guī)格材，氣干密度范圍：0.39～0.55 g/cm3；含水率調(diào)整至12%左右。采用機(jī)械分等法對其進(jìn)行分等，根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，選用Ⅲc等級規(guī)格材作為試驗(yàn)用材，避開節(jié)疤開裂等缺陷，鋸解為38 mm×89 mm×300 mm試件。

2）齒板試驗(yàn)用齒板為國產(chǎn)齒刻痕齒板。齒刻痕齒板是在普通齒板的基礎(chǔ)上，在位于板齒高度的1/3、1/2、2/3處平行刻痕，刻痕的深度在板齒厚度的30%左右，刻痕的寬度小于等于0.5 mm，刻痕長度方向與板齒高度垂直方向成45°夾角[5]，如圖1。齒板采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，齒板厚度為0.9～1.0 mm，齒長約為10.4～10.9 mm，齒密度為106～108 No/dm2。

圖1 國產(chǎn)齒刻痕齒板Fig.1 Domestic truss plate with notch on tooth

1.2 主要儀器與設(shè)備

WDW-300E型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、YHD-100型位移引伸計(jì)、夾具（自制）等。

1.3 試驗(yàn)方法

1）規(guī)格材物理力學(xué)性能測試：依據(jù)GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》分別對三種規(guī)格材的密度、順紋抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2）連接試件制備：采用平壓的方式將齒板壓入規(guī)格材。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式采用荷載平行于木紋和齒板主軸方向（AA），每種構(gòu)型取5個試件。

3）試件含水率調(diào)節(jié)：為方便裝配夾具，在試件兩側(cè)距端頭90 mm處鉆孔，孔徑為18 mm。將制備好的試件放入溫度為20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱平衡一周，以釋放齒板壓制過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

4）節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)：根據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附錄M要求，設(shè)置加載速度為1.0 mm/min，以保證在5～20 min內(nèi)試件達(dá)到極限承載力，試件破壞試驗(yàn)停止。利用位移引伸計(jì)，記錄節(jié)點(diǎn)連接處位移變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種規(guī)格材物理力學(xué)性質(zhì)

表1 三種規(guī)格材物理力學(xué)性質(zhì)Tab. 1 Physical and mechanical properties of three kinds of dimension lumbers

對興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行物理力學(xué)性能測試，結(jié)果見表1，由表中可知，國產(chǎn)興安落葉松和日本落葉松的密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于北美云杉。三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度均值分別為158.93、137.57、121.43 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度的變異系數(shù)均在20%以內(nèi)，說明三者順紋抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定性較好。

通過對興安落葉松、日本落葉松、北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2，在P=0.05水平下，興安落葉松、日本落葉松和北美云杉三種規(guī)格材的順紋抗拉強(qiáng)度差異性顯著，即規(guī)格材種類對木材的順紋抗拉強(qiáng)度有顯著影響。

表2 三種規(guī)格材順紋抗拉強(qiáng)度單因素方差分析Tab. 2 Variance analysis of tensile strength parallel to grain of three kinds of dimension lumbers

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形式

三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)在AA構(gòu)型中的主要破壞形式見圖2，其中日本落葉松和北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)的主要破壞形式為齒拔出破壞，興安落葉松的主要破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。試驗(yàn)中由于破壞形式的不同試驗(yàn)現(xiàn)象也不同，試驗(yàn)初期，隨著拉力的增加齒板連接處產(chǎn)生輕微滑移，隨著拉力的增大板齒與木材的摩擦力逐漸增大，伴隨著輕微木材撕裂的聲音；試驗(yàn)后期，隨著拉力的繼續(xù)增大，齒板與木材間的摩擦力難以抵抗齒板所受拉力，由齒板邊緣處開始板齒逐漸拔出，直至節(jié)點(diǎn)一側(cè)齒板全部拔出，節(jié)點(diǎn)失去承載能力，表現(xiàn)為齒拔出破壞；興安落葉松由于木材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均較大，在拉伸過程中，板齒與木材間具有較大的摩擦力，隨著拉力的增大，齒板齒根部分產(chǎn)生剪切破壞，伴隨著金屬撕裂的聲音，試驗(yàn)結(jié)束，表現(xiàn)為齒根斷裂破壞。主要原因是由于板齒部分刻痕降低了板齒強(qiáng)度且增加了板齒拔出時的摩擦力，因此在節(jié)點(diǎn)拉伸過程中，當(dāng)板齒承受的摩擦力大于齒根所能承受的剪切力時，齒根發(fā)生斷裂。

圖2 齒板連接節(jié)點(diǎn)破壞形式Fig. 2 Failure modes of truss plate joints

2.3 三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)承載性能

從表3可知，興安落葉松、日本落葉松、北美云杉與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的板齒極限承載力分別是31.250、20.334、19.420 kN，國產(chǎn)落葉松規(guī)格材的板齒極限承載力大于進(jìn)口云杉規(guī)格材，且興安落葉松高于日本落葉松；三種規(guī)格材的板齒極限承載力變異系數(shù)均在20%以內(nèi)，說明三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)的拉伸性能穩(wěn)定性較好。在三種規(guī)格材的AA構(gòu)型中，興安落葉松與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的板齒極限承載力較北美云杉與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力高出69.42%，日本落葉松較其高出4.71%，主要原因是兩類國產(chǎn)落葉松木材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于進(jìn)口云杉，且興安落葉松木材的性能高于日本落葉松[7]。

對三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行方差分析，從表4可知，不同樹種規(guī)格材的節(jié)點(diǎn)極限承載力間存在極顯著差異。

三種規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度見表5，由于試驗(yàn)中部分節(jié)點(diǎn)在達(dá)到最大承載力時產(chǎn)生的位移小于0.8 mm，借鑒McCarthy[8]等的研究將臨界滑移值定為0.015 inch（0.38 mm）。由表可得對于同一構(gòu)型的三種不同規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)，國產(chǎn)落葉松規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的臨界滑移剛度大于進(jìn)口云杉規(guī)格材。其中興安落葉松齒板節(jié)點(diǎn)的臨界滑移剛度最高，是北美云杉的1.29倍；日本落葉松齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)的1.20倍。

表3 三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)極限承載力Tab. 3 Ultimate bearing capacity of the joints made up of three kinds of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表4 三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)板齒極限承載力方差分析Tab. 4 Variance analysis of ultimate bearing capacity of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

表5 三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度統(tǒng)計(jì)Tab. 5 Critical slip stiffness of the joints made up of three kind of dimension lumbers and the domestic truss plate with indentation

2.4 三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)延性

利用Origin 8.0對三種規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行荷載-位移曲線擬合，結(jié)果見圖3。延性的好壞代表節(jié)點(diǎn)是否具有更好的抗震性能，延性較好的節(jié)點(diǎn)及建筑結(jié)構(gòu)在破壞前具有明顯的破壞預(yù)兆并可提供更多的逃生時間[9-10]。通過對荷載位移曲線的峰值區(qū)域面積進(jìn)行積分計(jì)算，對比分析三種規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)的延性。

圖3 三種規(guī)格材AA型節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線Fig. 3 Load-displacement curves of AA type joints of three kinds of dimension lumbers

由表6可知，兩種國產(chǎn)落葉松規(guī)格材的延性均好于進(jìn)口規(guī)格材，其中興安落葉松規(guī)格材與國產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)的延性最好，其齒板連接節(jié)點(diǎn)所經(jīng)受的變形量是北美云杉與國產(chǎn)齒刻痕齒板連接節(jié)點(diǎn)變形量的1.22倍，其節(jié)點(diǎn)所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)吸收能量的1.81倍；但日本落葉松規(guī)格材的齒板連接節(jié)點(diǎn)所經(jīng)受的變形量小于北美云杉，其節(jié)點(diǎn)所吸收的能量是北美云杉齒板節(jié)點(diǎn)吸收能量的1.11倍[11]。

表6 三種規(guī)格材節(jié)點(diǎn)峰值區(qū)域面積比較Tab. 6 Comparison of peak area of three kinds of joints

3 結(jié)論

1）兩種國產(chǎn)落葉松規(guī)格材密度及順紋抗拉強(qiáng)度均高于北美云杉規(guī)格材，不同種類木材順紋抗拉強(qiáng)度差異性顯著；日本落葉松及北美云杉規(guī)格材與齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)的主要破壞形式為齒拔出破壞，興安落葉松規(guī)格材齒板節(jié)點(diǎn)的破壞形式為齒拔出破壞和齒根斷裂破壞。

2）興安落葉松與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力較北美云杉與國產(chǎn)齒刻痕齒板節(jié)點(diǎn)的極限承載力高出69.42%，日本落葉松較其高出4.71%；兩種國產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)臨界滑移剛度、峰值區(qū)域面積均高于北美云杉。

3）與常用進(jìn)口云杉規(guī)格材相比較，國產(chǎn)落葉松齒板節(jié)點(diǎn)連接性能良好，可進(jìn)一步研究其在輕型木結(jié)構(gòu)建筑與橋梁中的應(yīng)用；國產(chǎn)齒刻痕齒板的連接性能較好，但易發(fā)生齒根斷裂破壞，應(yīng)深入研究提高刻痕齒板的板齒強(qiáng)度。

綜合以上研究結(jié)果，筆者認(rèn)為國產(chǎn)落葉松規(guī)格材物理力學(xué)性質(zhì)可以達(dá)到輕型木結(jié)構(gòu)規(guī)格材的使用要求；同時其與齒板連接節(jié)點(diǎn)承載性能、延性等均優(yōu)于進(jìn)口北美云杉。建議進(jìn)一步開展國產(chǎn)規(guī)格材與齒板節(jié)點(diǎn)連接蠕變性能研究。

[1] 郭偉, 費(fèi)本華, 陳恩靈, 等. 我國木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].木材工業(yè), 2009, 23(2):19-22.

[2] 周賢武, 張俊珍, 周海賓, 等. 樹齡對日本落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2014, 28(4):54-57.

[3] 王滋, 王麗, 張賽男, 等. 輕型木桁架的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2016, 43(2):1-7.

[4] 賀紹均, 楊保鈰, 閆薇, 等. 輕型木結(jié)構(gòu)齒板壓入試驗(yàn)及影響因子研究[J]. 木材加工機(jī)械, 2016, 27(1):43-47.

[5] 葉虹, 謝寶元, 費(fèi)本華. 國產(chǎn)木桁架齒板連接件的研發(fā)[J]. 林業(yè)科學(xué), 2012, 48(1):148-153.

[6] GB 50005—2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[7] 王麗. 國產(chǎn)齒板與落葉松規(guī)格材節(jié)點(diǎn)連接性能研究[D]. 北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院, 2016.

[8] McCarthy M, Little J K. Sensitivity of truss plate model parameters to parameter determination methods[J]. Forest products journal, 1988,38(5):63-67.

[9] 席佳. 興安落葉松規(guī)格材與齒板接合節(jié)點(diǎn)拉伸性能研究[D]. 北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院, 2009.

[10] 何桂榮, 何敏娟, 倪俊, 等. 國產(chǎn)正交主軸齒板連接節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)承載力性能研究[J]. 力學(xué)季刊, 2010, 31(2):282-287.

[11] 葉虹. 國產(chǎn)落葉松齒板連接接合節(jié)點(diǎn)拉伸性能研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2010.