文章信息
- 周志芳, 毕克新, 张雪松, 毛磊, 赵思淼, 王齐, 李晨琦
- Zhou Zhifang, Bi Kexin, Zhang Xuesong, Mao Lei, Zhao Simiao, Wang Qi, Li Chenqi
- 截面尺寸、加载方式和指接形式对落叶松大尺寸结构指接材抗弯性能的影响
- Effects of Cross Section, Loading Mode and Finger-Joint Type on the Bending Property of Larch Structural Finger-Jointed Lumber in Large Dimension
- 林业科学, 2016, 52(3): 82-89
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(3): 82-89.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160310
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文章历史
- 收稿日期:2015-09-14
- 修回日期:2015-12-31
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作者相关文章
2. 黑龙江省木材综合利用重点试验室 哈尔滨 150081
2. Key Laboratory of Comprehensive Use of Timber in Heilongjiang Province Harbin 150081
结构指接材是轻型木结构的重要构件之一,其力学性能尤其是抗弯性能将直接影响轻型木结构的安全性和经济性。目前,对非结构用指接材的研究较为系统(Joshua et al.,2000a; 2000b; Martinez et al.,2003; Karastergiou et al.,2006; Rao et al.,2012),结构指接材的力学性能,重点考察了指接形式、指接端压力等对结构指接材抗弯强度、抗弯弹性模量、极限抗拉强度等指标的影响(Özcifci et al.,2008; Ye et al.,2009)。国外关于大尺寸结构指接材性能的研究起步较早,Christine等(1997)研究了大尺寸结构指接材长度对抗拉强度的影响,Vrazel等(2004)研究了多种不同指接参数模式对大尺寸结构指接材强度性能的影响,Rao等(2014)研究了结构指接材制造过程中端压力对MOE和UTS的影响。我国对结构指接材的研究还很少,目前只有黄仲华等(2012)研究了结构指接材的指接工艺,赵秀等(2015)研究了应力波无损检测结构指接材的抗弯性能,而大尺寸结构指接材的抗弯性能研究在国内几乎空白。
为了考察不同截面尺寸、加载方式和指接形式对大尺寸结构指接材抗弯性能的影响,本文测定落叶松(Larix gmelinii)大尺寸结构指接材试样的抗弯强度和抗弯弹性模量,采用数据分析方法判定试验因素对试验指标是否有显著影响,确定了大尺寸结构指接材的强度特征值,旨在为结构指接材的分级技术提供测试数据和可行性建议,为大尺寸结构指接材的抗弯强度测试标准及其特征值的确定方法提供一定参考,推动落叶松及其他树种作为结构指接材在建筑结构上的应用。
1 材料与方法 1.1 试验材料落叶松试材采自黑龙江省大兴安岭漠河,直径16~34 cm,材长4 m。原木经锯解、干燥、刨光后去除缺陷,依据LY/T 2228—2013《轻型木结构-结构用指接规格材》标准,对指接前的木材自然生长缺陷及加工缺陷进行目测分等。选取Ⅱc等级材为试验对象,指接形式羽形,齿长20 mm、齿距6.2 mm、齿宽1.0 mm,斜度1/8.6,胶黏剂为普邦HB S709型聚氨酯树脂胶黏剂,指接压力10 MPa,加工成截面尺寸为 40 mm×90 mm和40 mm×140 mm的指接材,养生1周以上。结构指接材具体尺寸和数量见表 1。
参照LY/T 2228—2013标准,进行大尺寸结构指接材平面抗弯强度和侧面抗弯强度检测试验(加载方式见图 1和图 2,以H形指接为例),指接部位位于试件中央,跨距(l)为试件高度(h)的18倍,加载间距(s)为130 mm,加压速度为15 mm·min-1,载荷由载荷传感器获取,挠度由电子百分表获取,抗弯强度(MOR)和弹性模量(MOE)计算公式如下:
$ MOR = \frac{{3P\left({l - s} \right)}}{{2b{h^2}}}; $ | (1) |
$ MOE=\frac{\vartriangle P\left(l-s \right)\left(2{{l}^{2}}+2ls-{{s}^{2}} \right)}{8\vartriangle yb{{h}^{3}}}.. $ | (2) |
抗弯试验测试结束后,在试样破坏处附近截取密度和含水率试件,按照GB/T 1931—2009和GB/T 1933—2009分别测量密度和含水率,得出落叶松结构指接材密度为 0.647 g·cm-3,含水率为11.4%,折算为标准含水率条件下的试验结果平均值见表 2。试验数据完全达到并高于LY/T 2228—2013标准要求,直观分析试验数据可看出:当加载方式和指接形式相同时,截面尺寸对抗弯强度影响不大;而截面尺寸和加载方式相同时,V形指接的抗弯强度大于H形指接的抗弯强度;当截面尺寸和指接形式相同时,V形指接的平面抗弯强度高于侧面抗弯强度,而H形指接则相反;当截面尺寸和指接形式相同时,侧面加载的弹性模量高于平面加载方式,截面尺寸和指接形式对弹性模量似乎并无明显影响。
图 3是截面尺寸为40 mm×90 mm和40 mm×140 mm试样在不同加载方式和指接形式下的抗弯强度箱线图,其中横坐标是加载方式和指接齿形,纵坐标是抗弯强度,长方形框内部的横线是数据中位值,空心小方框是数据平均值,长方形框的上下短边分别是3/4和1/4分位值,2个短边上伸出的长线端点分别是数据第5和95百分位数,“×”表示数据最大和最小值。方框左边黑色点是实际检测的数据,数据上的细实线是对数据正态分布的拟合曲线。从图中可看出样本数据几乎都来源于正态总体,即每组数据的平均值与中位数间的差值均较小。
采用2个正态总体的假设检验法判定不同截面尺寸的样本数据均值差异性,若有显著差异,则说明截面尺寸对指标有显著影响。2个独立样本t检验方法进行检验的前提是,须对样本数据进行正态性检验和方差齐性检验。首先采用正态性检验方法W检验法判定样本是否来源于正态总体。统计量$W=\frac{{{\left[ \sum\limits_{i=1}^{n/2}{{{a}_{i}}\left({{X}_{\left(n+1-i \right)}}-{{X}_{\left(i \right)}} \right)} \right]}^{2}}}{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left({{X}_{i}}-\overline{X} \right)}^{2}}}}$,其中:ai为W检验系数表中的常数,判定临界值Wα可查表得到。经过计算得到截面尺寸为40 mm×90 mm时,平压H形指接抗弯强度数据的W值为0.967,侧压H形指接抗弯强度数据的W值为0.971,平压V形指接抗弯强度数据的W值为0.951,侧压V形指接抗弯强度数据的W值为0.912,显著性水平为0.05时临界值W21为0.908,可见W值均大于临界值,故接受原假设,即样本数据来自正态分布。同样截面尺寸为40 mm×140 mm时,平压H形指接抗弯强度数据的W值为0.909,侧压H形指接抗弯强度数据的W值为0.925,平压V形指接抗弯强度数据的W值为0.957 7,侧压V形指接抗弯强度数据的W值为0.939,临界值W11为0.850,所有样本的W值均大于临界值,即样本数据来自正态分布。方差齐性是判定2个总体的方差是否有显著差异的方法,检验采用F统计量,$F = \frac{{{S_{大}}^2}}{{{S_{小}}^2}} \sim F\left({{n_{大}} - {n_{小}}} \right)$,若F小于Fα/2,则接受方差无差异的原假设。不同截面尺寸H形指接平面抗弯强度数据的F值为2.024<临界值 F0.025(20,10)=3.42,不同截面尺寸H形指接侧面抗弯强度数据的F值为1.692<临界值 F0.025(20,10)=3.42,不同截面尺寸V形指接平面抗弯强度数据的F值为1.506<临界值 F0.025(10,20)=2.77,不同截面尺寸V形指接侧面抗弯强度数据的F值为1.389<临界值 F0.025(10,20)=2.77,由于F值均小于临界值,所以接受原假设,即样本数据之间的方差没有显著差异。随后用2个独立样本t检验方法检验结构指接材截面尺寸对抗弯强度是否有影响,即比较2种不同截面尺寸下2个样本数据的均值是否有显著差异。t统计量的计算公式为$\frac{{\overline {{X_n}} - \overline {{X_m}} }}{{\sqrt {{S_W}^2\left({1/n + 1/m} \right)} }}$,其中${S_W}^2 = \frac{{\left({n - 1} \right){S_1}^2 + \left({m - 1} \right){S_2}^2}}{{n + m - 2}}$,进行双边备择假设,即原假设H0为均值相等,而备择假设为均值不相等,拒绝域是t值≥t0.05/2(n+m-2),此时认为2个独立样本的均值有显著差异,具体计算结果见表 3。
从表 3可以看出:截面尺寸的变化对H形指接试样的平面抗弯强度和侧面抗弯强度均无显著影响,因为不同截面尺寸得到的抗弯强度均值不存在显著差异。不同截面尺寸V形指接试样的平面抗弯强度均值不存在显著差异,侧面抗弯强度在0.05显著性水平下有显著差异。t检验结果表明,试样截面尺寸只对V形指接的侧面抗弯强度有显著影响,由于截面为40 mm×140 mm试样的侧面抗弯强度样本平均值高于截面为40 mm×90 mm的侧面抗弯强度样本平均值,因此进行单边t检验,即假设40 mm×140 mm V形指接的侧面抗弯强度≤40 mm×90 mm V形指接的侧面抗弯强度,此时拒绝域为t0.05(30)=1.697,因t值大于临界值,则拒绝原假设,即认为截面为40 mm×140 mm的侧面抗弯强度高于40 mm×90 mm的侧面抗弯强度,也就是说,随着截面尺寸变大,V形指接的侧面抗弯强度也变大了,这说明侧面抗弯加载这种方式更易受到截面尺寸大小的影响,因为侧面加载时V形指接试样的直接受力面是试样窄面且受力面上不存在指接缝,即试样状态更接近实体木材;此外当截面尺寸变大时力的加载点与破坏点之间的距离增加可能需要更大的载荷才能将试样破坏,即表现为截面尺寸大的试样的侧面抗弯强度高于截面尺寸小的试样的侧面抗弯强度。
图 4是截面尺寸为40 mm×90 mm和40 mm×140 mm试样在不同加载方式和指接形式下的抗弯弹性模量箱线图,其中横坐标是加载方式和指接形式,纵坐标是抗弯弹性模量,图中其他标志含义与图 3相同。从图 4可看出,所有样本数据也都来自正态总体,每组样本数据平均值与中位数的差距很小,而且样本数据相对较为集中,离散性较小,这是因为抗弯弹性模量的主要决定因素是材料自身材质。
对抗弯弹性模量的样本数据进行正态性检验,截面尺寸为40 mm×90 mm时,平压H形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.986,侧压H形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.949,平压V形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.921,侧压V形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.937,显著性水平为0.05时临界值W21为0.908,可见W值均大于临界值,故接受原假设,即样本数据来自正态分布。同样截面尺寸为40 mm×140 mm时,平压H形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.918,侧压H形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.881,平压V形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.926,侧压V形指接抗弯弹性模量数据的W值为0.896,临界值W11为0.850,所有样本的W值均大于临界值,即样本来自正态分布。但方差齐性分析的结果与抗弯强度有所不同,不同截面尺寸H形指接平面抗弯弹性模量的F值为4.799>临界值 F0.025(20,10)=3.42,不同截面尺寸H形指接侧面抗弯弹性模量数据的F值为1.023<临界值F0.025(10,20)=2.77,不同截面尺寸V形指接平面抗弯弹性模量数据的F值为10.305>临界值 F0.025(20,10)=3.42,不同截面尺寸V形指接侧面抗弯弹性模量数据的F值为2.489<临界值 F0.025(10,20)=2.77,由此可知,不同截面尺寸H形指接和V形指接试样的平面抗弯弹性模量数据显著差异,其他试验条件则为方差齐性。当数据不满足方差齐性要求时,用近似t检验法,即采用t*统计量检验,检验结果见表 4。截面尺寸对V形指接的侧面抗弯弹性模量有显著影响,单边t检验的结果证明:截面尺寸越大,V形指接侧面抗弯弹性模量也越大,其他情况下,截面尺寸对抗弯弹性模量没有影响。这是因为不同截面尺寸对V形指接的抗弯强度有显著影响,进而对相应的弹性模量也有显著影响。统计学结果表明:截面尺寸对V形指接的侧面抗弯强度和侧面抗弯弹性模量均有显著影响,即截面尺寸大的侧面抗弯强度和侧面抗弯弹性模量也大,其他试验条件下,截面尺寸对抗弯强度和抗弯弹性模量均无显著影响。简言之,侧面加载方式且指接齿分布平行于加载方向时抗弯强度和抗弯弹性模量易受到试样截面尺寸的影响。
前面对抗弯强度和抗弯弹性模量的正态性检验仍然适用于本节的统计分析,方差齐性检验仍必须进行。结果表明:除40 mm×140 mm V形指接的平面和侧面抗弯弹性模量检验统计量F值为12.004>临界值 F0.025(10,10)=3.72,即2个样本方差显著不同之外,其他试验条件下都满足方差齐性条件。加载方式对抗弯强度和抗弯弹性模量的t检验结果见表 5。不同加载方式对抗弯强度没有显著影响,对某些试验条件下的抗弯弹性模量有显著影响,具体是加载方式对为40 mm×140 mm的H形指接和V形指接平面加载和侧面加载条件下测得的抗弯弹性模量有显著影响,即侧面加载方式的抗弯弹性模量明显高于平面加载方式的抗弯弹性模量,这是因为截面较大的结构指接材侧面加载方式的指接导致试件厚度远远大于平面加载方式,即侧面加载时载荷传递距离增加,载荷损耗变大宏观上就表现为材料抗弯弹性模量较大。
前面对抗弯强度和抗弯弹性模量的正态性检验仍然适用于本节的统计分析,方差齐性检验得到的结果为所有试验条件下的样本数据都满足方差齐性条件。指接齿形对抗弯强度和抗弯弹性模量的t检验结果见表 6。不同指接形式对40 mm×140 mm平面抗弯强度和40 mm×90 mm侧面抗弯强度有显著影响,截面尺寸40 mm×140 mm V形指接的平面抗弯强度高于H形指接的平面抗弯强度,这是符合现有结构指接材的研究结论的,一般认为V形指接的抗弯强度高于H形指接的抗弯强度,这说明当截面尺寸逐渐变大即指接齿增多及指接面积增加时,指接形式不同就会开始影响抗弯强度,这种影响在截面尺寸小时不明显。截面尺寸40 mm×90 mm H形指接的侧面抗弯强度高于V形指接的侧面抗弯强度,这是因为侧面加载时V形指接齿沿着加载方向分布,极易从指接齿根部或胶合处产生应力集中,即表现为侧面抗弯强度低于H形指接的,而截面尺寸40 mm×140 mm侧面抗弯时指接形式的这种影响就会被试件加载方向上厚度的增加覆盖了。此外,指接形式对40 mm×90 mm侧面抗弯弹性模量也有显著影响,表现为40 mm×90 mm H形指接的侧面抗弯弹性模量高于V形指接的侧面抗弯弹性模量,这说明当截面尺寸较小时,侧面加载方式测得的抗弯强度和弹性模量更易于受指接形式的影响。
特征值是木质工程结构材料安全性和可靠性设计的依据,因此合理确定特征值是确定安全系数的关键。根据大尺寸试件抗弯性能确定的特征值更为接近结构指接材实际使用状态,便于更好指导结构指接材的应用,并为建筑安全系数的确定提供参考。木质结构材料的特征值确定方法主要有2种:一种是参数法,一种是非参数法。参数法特征值定义是参数统计容忍限,即5%分位值的75%置信水平的容许限度的下限值。参照ASTM D2915-10,抗弯强度的特征值计算方法是$\overline x - ks$,其中k是与样本容量有关的常数,可在标准中查表得到,s是样本的标准差。同样ASTM D2915-10也给出了非参数确定特征值的方法,即次序统计量,即将样本数据从小到大排序,按照样本容量确定次序统计量的位置。2种方法得到的特征值见表 7,参数法计算的特征值几乎都小于非参数法的特征值,这是因为样本容量还不够大,无法满足非参数法的样本需求;出于安全性考虑,此时建议将2种方法的低值作为特征值,抗弯弹性模量的特征值通常认为是样本数据的平均值。
研究了落叶松大尺寸结构指接材的抗弯性能(抗弯强度和抗弯弹性模量),载荷的加载模式为平面加载和侧面加载,结构指接材的指接形式为H形和V形,结构指接材的截面尺寸为40 mm×90 mm和40 mm×140 mm。采用两独立样本t检验法,分别比较同等试验条件下不同截面尺寸、不同加载方式和不同指接形式对抗弯强度和抗弯弹性模量的影响,得出结论如下:
1)截面尺寸对V形指接侧面抗弯强度和侧面抗弯弹性模量均有显著影响,即截面尺寸大的(40 mm×140 mm)侧面抗弯强度和侧面抗弯弹性模量也大;不同加载方式对抗弯强度没有显著影响,而不同加载方式对截面为40 mm×140 mm的H形指接和V形指接的抗弯弹性模量有显著影响,即侧面加载方式测得的抗弯弹性模量数值明显高于平面加载方式;不同指接形式对截面40 mm×140 mm平面抗弯强度有显著影响,即截面40 mm×140 mm V形指接的平面抗弯强度高于H形指接的平面抗弯强度,不同指接形式对截面40 mm×90 mm侧面抗弯强度和抗弯弹性模量均有显著影响,即H形指接的侧面抗弯强度和抗弯弹性模量高于V形指接的侧面抗弯强度和抗弯弹性模量。
2)截面尺寸较大的结构指接材在侧面加载条件下,其抗弯强度和抗弯弹性模量更易受到试验因素的影响,而且其强度也只在侧面抗弯时高于截面尺寸小的试件;小截面尺寸的结构指接材也是在侧面加载时抗弯性能受到指接形式的影响,即加载面见指接齿时抗弯性能较好,建议实际应用中尽量避免侧面加载的使用方式。
3)研究结果证明落叶松结构指接材完全可用作木质工程材料,宽面承载、V形指接以及适宜的截面尺寸有利于保证结构指接材的抗弯性能。
4)根据大尺寸结构指接材抗弯性能检测数据分别给出参数法和非参数法确定的特征值,当样本数量小于28时,建议采用参数法和非参数法计算的特征值最低值,当样本数量足够多时,建议用非参数法确定特征值。
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