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由于我国对用于地板和屋顶系统的木质工字梁(IJ)的研究工作尚处起步阶段,尚未涉及到对IJ腹板构件的性能及其与IJ整体性能的研究,因此需要对IJ腹板用竹大片刨花板(BWB)的主要静态力学性能加以研究并获得充分的认知,为建立和完善我国自己的木质工字梁包括腹板的性能、质量的检测、控制和木结构建筑和木质建筑材料设计和应用提供参考,以促进我国现代木结构建筑和木质建筑材料的发展,促进我国竹资源、人工速生林木的高效利用。
为此,本文通过系统试验和理论分析,对腹板类型作出了选择,研究了腹板的压板稳定性、抗剪性能及其与IJ腹板常规力学性能之间的关系、竹木工字梁的抗弯性能及孔洞对IJ抗弯性能的影响,以其结果为依据,作出了241型竹木工字梁腹板截面尺寸的实例设计,并对IJ用腹板外形尺寸和主要性能的设计方法作出了验证。
为了获得腹板原材料结构形式与端部压板失稳的关系,利用根据板壳稳定理论自行设计的试验方法对三种腹板用材料垂向受载的压板稳定性作出了研究,结果表明:1)IJ中的木/竹大片刨花类腹板和胶合板腹板的压板失稳形式均为极值点失稳,且都经历了弹性、弹塑性和屈曲阶段的变形;2)IJ中的木/竹大片刨花类腹板发生的是以层间剪切破坏为主的延时性压板失稳破坏,较矮腹板的失稳破坏形式为典型的静弯曲剪切破坏,较高腹板的失稳破坏形式为典型的静弯曲背面拉伸破坏;3)IJ腹板的失稳破坏荷载的大小顺序为:(胶合板=BWB)>木大片刨花板;4)木质工字梁腹板的失稳后残余承载能力的强弱顺序为:BWB>胶合板>木大片刨花板;5)压板稳定性是IJ腹板最为关键和敏感的力学性能之一。
根据上述结果确认的对IJ腹板压板稳定性的要求,按自行设计的压板稳定试验方法对BWB压板稳定性的试验结果表明:1)BWB的密度对不同高厚比的BWB的压板临界失稳强度值有着显著影响,密度越高则BWB的压板稳定就越好,对高厚比小的影响较大;2)BWB的厚度、施胶量、内结合强度与压板临界失稳强度呈正相关关系;3)BWB的高厚比与压板临界失稳强度呈负相关关系;4)BWB的密度、内结合强度对压板临界失稳强度的影响较为显著;5)高厚比小于20时,可以压缩弹性模量为参数,按薄板屈曲临界荷载计算公式预测腹板的压板失稳临界载荷;预测值会比实测值小约6%。
参考美国标准ASTM-D1037,用双轨横截面抗剪强度试验方法和相关国标对BWB横截面抗剪强度和相关常规性能检测分析结果表明:1)BWB的横截面剪切破坏形式为剪切区域内的隆起发鼓,竹大片刨花间发生了以横向褶皱、撕裂和纵向折断、层间胶层脱胶、刨花之间相互错动为主的破坏形式,但无大片刨花的拦腰剪断破坏形式;2)BWB的密度、厚度、内结合强度与横截面抗剪强度成正相关关系;3)BWB的含水率与横截面抗剪强度成负相关;4)BWB的内结合强度是影响BWB横截面抗剪性能最为显著的因素。
为了满足工程应用的要求,本文按美标ASTM-D5055-04关于短梁水平剪切强度的方法,探索了腹板上的开孔位置、孔径、孔数和间距及其对BW-IJ水平抗剪强度的影响,结果如下:1)BW-IJ的水平剪切破坏形式以翼缘与腹板的槽口剪切、翼缘水平层间剪切和翼缘压溃破坏为主;2)孔洞边缘破坏起始点在与IJ水平轴线的0角为45°和135°的孔洞位置周围,或孔洞边缘低密度区;3)孔径与BW-IJ水平抗剪性能的关系式为:y=-7.504x2+2.2083x+5.7407(R2=0.98);4)在241型BW-IJ腹板上的合适位置开直径为27.4mm以下的圆孔不仅不会消弱,反而可提高BW-IJ的水平抗剪强度;5)BW-IJ的水平剪切强度与双园孔间距的关系式为:y=-0.1257x2+0.8277x+4.2613(R2=1.00);6)双圆孔间距大于3倍孔直径时,几乎不影响BW-IJ的水平剪切强度。
以所有上述研究结果为依据对241型BW-IJ的设计结果为:1)梁高为241mm的IJ的端部压板失稳临界载荷为3.10KN,IJ腹板横截面抗剪强度为2.64MPa;2)据上设计BWB腹板的横截面尺寸为:高186.6mm,厚11.9mm;3)按上述设计值并按BWB制造工艺生产获得批量BW-IJ,经实测得到:压板失稳强度为19.05MPa,双轨横截面抗剪强度为16.82MPa,对应的密度为0.80 g/cm3,静曲弹性模量大于4,900MPa,内结合强度大于0.72MPa;4)以上述设计指标为依据生产的BWB可以满足IJ腹板的使用要求;5)本研究确定的IJ腹板的设计方法是可行、可靠的。