木結構材料性能檢測研究

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木結構工程材料

1、木結構工程材料簡介

與普通的非結構用板材相比，木結構工程材料力學性能較高、板材層數較多、厚度較大，最重要的是木結構工程材料具有強度設計值，廣泛應用于建筑、橋梁、道路、運輸等領域。隨著建筑、橋梁、道路、運輸等領域的蓬勃發展，對優質木結構工程材料的需求量日益增加，具有巨大的市場潛力，因此，急需開發高性能、低成本、環保的木結構工程材料，包括物理力學性能好、握釘力強、結構性能和尺寸穩定性好、耐老化及耐化學腐蝕的結構板材。

2、木結構工程材料的主要力學性能

木結構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，對于木結構大尺寸構件的彈性模量、靜曲強度、內結合強度、膠合強度、抗壓強度、抗拉強度、握螺釘力和沖擊韌性等力學性能指標提出了更高的要求。因此，必須對其進行機械分等、均布載荷、集中靜載和沖擊載荷等力學性能測試。

主要力學性能檢測方法及相關標準

1、國外木結構工程材料檢測方法

木結構工程材料力學性能檢測裝備現狀□國家林業局北京林業機械研究所張偉金征楊建華□中國林科院林業新技術研究所張偉金征由于木結構工程材料具有優越的力學性能，其應用越來越廣泛。本文概況介紹了木結構工程材料的主要力學性能及其國內外相關檢測裝備，同時重點介紹了國家林業局北京林業機械研究所研發的相關檢測設備。在國外，木結構工程材料是主要的建筑材料和結構材料之一。在木結構工程材料物理力學性能檢測技術研究方面，主要開展了彈性模量和缺陷無損檢測技術研究等。彈性模量的無損檢測方法主要有機械分等法、振動法、超聲波法、應力波法等，其中機械分等法、振動法應用廣泛。隨著計算機技術的迅速發展，力學性能檢測朝著高速化、智能化方向發展。

2、國外木結構工程材料相關標準

國外木結構工程材料相關標準有：美國工程木協會（APA）了關于建筑覆面板材料的APAPS1-95《建筑和工業用膠合板》、APAPS2-2004《木基結構材料試驗方法》、APAPRP108《建筑板材性能標準和資格政策》等，加拿大了國家標準CAN/CSA-0325.0-92《建筑結構覆板標準》、CAN/CSA-0325.1-92《建筑結構覆板性能試驗方法》，美國材料與試驗協會標準(ASTM)了ASTME72-1995《建筑用面板傳導強度的試驗方法》、ASTMD2718-2000《結構板平面剪切(滾剪)試驗方法》、ASTMD3500-90(2003)《結構板抗拉結構的試驗方法》、ASTMD3499-94(2005)《木質結構板抗沖擊韌性的試驗方法》、ASTMD3043-00(2006)《檢驗結構板彎曲情況的標準方法》、ASTMD3044-94(2006)《檢驗木質結構板剪切模數的試驗方法》、ASTMD2719-89(2007)《結構板縱向剪切的試驗方法》、以及ASTMD3501-05a《木質結構板的壓縮試驗方法》等。

3、國內木結構工程材料檢測方法

在國內，隨著木結構工程材料市場需求量的逐漸增加，相關產品及其檢測技術研究開始起步。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定性等測試，大多采用實驗室試驗機常規力學性能測試法。應力波與超聲波法雖已應用于彈性模量測試及其在線檢測方面，但研究成果較少。

4、國內木結構工程材料檢測相關標準

目前已木結構工程材料相關的國家及行業標準有：GB/T19536-2004《集裝箱底板用膠合板》、GB/T21128-2007《結構用竹木復合板》、GB/T22349-2008《木結構覆板用膠合板》、GB/T17656-2008《混凝土模板用膠合板》、GB/T50329-2002《木結構試驗方法標準》、LY/T1927-2010《集成材理化性試驗方法》。

木結構工程材料主要檢測裝備

木結構工程材料克服了木材自身的缺點，比如因組織構造和干縮濕漲導致的力學性能各向異性、天然缺陷和幅面尺寸限制等，具有強重比大、尺寸穩定性高的特點，所以在使用過程中逐漸成為了木材與人造板的一個重要分支品系。隨著進一步深化對各種用途的鋸材與板材產品木材原料的優材優用、適材適用，鋸材與板材產品質量的可控性引起了廣泛關注，尤其是作為木質工程材料時，木結構工程材料的強度設計是必不可少的一環。產品的質量控制水平的關鍵在于實驗室和工廠化在線檢測技術的水平和評價體系是否完善，因此，開發木結構工程材料性能檢測裝備成為了首要任務。目前國內外已開發了多種檢測設備，能夠對木結構工程材料進行力學性質的檢測。

1、通用力學性能檢測設備

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構件進行性能檢測實驗的設備，主要有萬能力學試驗機、靜曲強度測試設備、蠕變和撓度測試設備、彈性模量檢測設備等。

（1）萬能力學試驗機

萬能力學試驗機主要包括控制系統、驅動單元、伺服電機、齒輪、皮帶、橫梁系統、功能附件及反饋裝置等。控制系統發出給定信號，通過功率放大器驅動電機，電機轉動帶動齒輪和皮帶運行，使橫梁開始移動，反饋裝置將橫梁的位移信號反饋給控制系統，再與控制系統中的給定信號比較，形成閉環控制系統。通過配置不同功能附件來實現標準規格尺寸結構膠合板試件的拉伸強度、抗彎強度、剪切強度等力學指標的測試。

（2）靜曲強度測試設備

靜曲強度測試設備主要由支撐、壓頭、傳動機構、數據采集系統、計算機控制系統等組成。實驗時，裝載一個試件到兩個支撐上，在控制臺輸入所需參數（長，寬和時間），然后啟動測試程序。實驗壓頭從原始位置迅速移動，直到接近開關檢測到試件后降至一個恒定的速度對試件進行加載。通過測量載荷和相應的形變，得到的載荷-撓度曲線，通過斜率可以計算出剛度和彈性模量，并顯示于控制臺。

（3）蠕變和撓度測試設備

蠕變和撓度測試設備主要由支撐、施壓裝置、傳動機構、數據采集系統等組成。在恒定外力作用下,木材應變隨時間而增加稱為蠕變。撓度是指梁、桁架等受彎構件在荷載作用下的的豎向變形。在考慮某種木質材料是否適用于結構工程時，其蠕變特性是一個重要因子。木材蠕變受溫度、含水率、加載方式、應力水平、樹種和材質變異等因素影響。撓度與荷載大小、構件截面尺寸以及構件的材料物理性能有關。

（4）彈性模量檢測設備

彈性模量的檢測設備按照檢測原理來分，主要有三種：第一，基于振動法的彈性檢測設備，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階振型函數圖線可知，自由端不是節點，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生的信號通過電荷放大器進入四通道多功能分析儀，對其進行頻響函數分析和模態分析，得到試樣固有頻率。根據檢測到的頻率信息來計算試件的強度。第二，基于超聲波的彈性模量檢測設備，主要組成是聲發射器、聲接收器和超聲波測試儀。超聲波產生聲脈沖進入被檢測材料中，經過穿透、反射、衰減，被另一端的傳感器收集，通過提取不同信號參數并進行處理，進行材料性質預測。不同的超聲波參數（傳播時間、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、結構材腐朽程度等。第三，基于應力波的彈性模量檢測設備，主要由小錘、加速度傳感器、應力波測試儀、計算機軟件等組成。該設備通過測量應力波在試件中的傳輸速度，結合試件的密度，來計算試件的彈性模量。

2、專用力學性能檢測設備

這部分主要是介紹一些針對一種或幾種木結構構件進行力學性能檢測的設備，主要有立式彎曲試驗機、剪力墻測試設備、沖擊載荷測試設備、疲勞強度測試設備、結構膠合板力學性能試驗機、結構鋸材機械應力分等試驗機、木結構桁架齒拔量測試儀等。

（1）立式彎曲試驗機

立式彎曲試驗機由兩組加載框架、傳動機構、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數據采集系統組成，其中加載框架由主動立柱和從動立柱構成，通過兩組加載框架分別在板材兩端相對應的邊部施加載荷。開始工作前，按照標準要求的測試間距，主動立柱移至相應位置，且保證兩立柱之間的距離和平行度。測試開始后，加載框架以其主動立柱為軸心作圓弧運動來彎曲板材，兩端提供大小相等且反向的彎曲力矩，變形量測量精度達到0.02mm。主要用于大尺寸結構板材或截取板條的彎曲特性試驗。

（2）剪力墻測試設備

剪力墻測試設備主要由固定框架、傳動機構、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數據采集系統組成。根據建筑墻體受力特點，主要測試結構鋸材與板材墻體抵抗水平風載和地震荷載作用的能力。剪力墻測試設備主要針對高度為2.4m或以上的墻體，通過測試與分析不同構造參數，如墻板安裝的連接方式、連接件規格及性能參數、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）沖擊載荷測試設備

沖擊載荷測試設備主要由沖擊錘、支撐橫梁、邊緣延長支撐、傳動機構、液壓裝置、數據采集系統、控制器等部分組成，通過電腦控制系統完成測試工作，完全實現自動化測試。當板材放置在支撐橫梁上并固定后，由計算機控制沖擊錘自由落下，記錄碰撞時刻的板材的受力和位移等信息。美國的Teco公司研發的QL-2型板材沖擊載荷測試機，可進行集中載荷和撓度、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）疲勞強度測試設備

目前國內疲勞強度測試設備主要是用于集裝箱底板測試，該設備主要由荷載小車、固定框架、傳動機構、控制系統等組成。按照國家標準物理力學性能指標要求，集裝箱用木底板通常進行滾壓剪切強度檢驗，即采用在滿荷載下往復行進的動荷載的沖壓下進行7260kg荷載小車實驗。執行抽檢程序，檢驗其瞬間疲勞強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度、彈性模量、膠合強度、含水率、密度等各項指標做出全面的檢測和分析，而且通過7260kg小車承載大型試驗模擬實際受力情況，更能真實地反映出底板的整體性能及其穩定程度。

（5）結構膠合板力學性能試驗機

國家林業局北京林業機械研究所（以下簡稱北京林機所）研發的結構膠合板力學試驗機。該設備集均布載荷測試、集中載荷測試、沖擊載荷測試于一體，功能強大，結構緊湊，操作簡便、實用性和通用性較強。集中載荷和沖擊載荷模擬屋面板、墻面板或樓面板實際受力情況，將板材試件平置在3根等距的支承構件上，形成雙跨連續板，根據板材兩端邊緣的支承情況分為3種受力態，施加載荷于最不利位置，檢測板材的撓度和極限載荷。按照實際工況，該設備能夠完成1220mm×1220mm大尺寸板材標準跨距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，調整方便；加載盤通過關節球軸承與連接軸相連，加載盤可以在一定的角度范圍內擺動，實現平穩均勻加載；整個試驗過程實現自動化，并有手動或自動試驗方式以供選擇；整個設備采用了模塊化和標準化設計，可實現高精度、高穩定性測試。

（6）結構鋸材機械分等試驗機

北京林機所研發的結構鋸材機械分等試驗機是將被測的結構鋸材通過一個檢測通道，在該檢測通道中使得結構鋸材在不破壞的情況下，形成恒定的彈性變形，測得相應的施加載荷，再將所測得的數據通過測力傳感器傳輸到計算機系統，算出該結構鋸材的抗彎彈性模量的數據，將該數據與設定的數據分級組進行比對，對被測結構鋸材做出強度分級，并將該分級結果輸出。該設備不僅結合木材樹種、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、運動速度、作用力、位移量等控制參數，以及設備振動、環境溫濕度等因素的影響，通過建立結構木材的強度與抗彎彈性模量的對應關系，實現結構木材質量控制和快速分等。

（7）木結構桁架齒拔量測試儀

北京林機所研發的木結構桁架齒拔量測試儀主要用于監測循環載荷作用下齒板變形量。該設備由溫濕度傳感器、高精度LVDT位移傳感器、數據采集模塊、RS485/RS232串口轉換模塊及工業控制計算機等組成。該測試系統可監測齒板連接處發生微小變形量，通過垂直安裝在同一連接齒板的3個不同位置的三路高精度LVDT位移傳感器來長期監測齒板的齒拔量。數據采集模塊具有16位A/D轉換分辨率，8路差分輸入，提供RS-485接口與上位機連接，且帶有高過壓保護，避免因現場和通道間干擾對數據采集的影響。測試系統可實時監測循環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平臺可對采集數據進行處理和可視化分析，預測齒板的齒拔量變化趨勢，研究實際工況下循環載荷對齒板連接性能的影響。

結語

隨著建筑、橋梁、房屋、道路、運輸等領域的蓬勃發展，木結構工程材料的市場存在著巨大潛力，對優質木結構工程材料的需求量日趨增加。因對產品質量控制水平要求的進一步提升，以及對產品采用無損檢測方式的追求，近年來，研究者開發了上述木結構工程材料力學性能檢測設備，實現了對木結構力學性能的精確檢測與分析，對木結構建筑有著非常重要的分析價值和指導意義。但是總體而言，足尺結構板產品檢測技術和裝備有待提高。綜述，今后針對不同用途、不同材料和性能要求的木結構工程材料，要加強重視和投入力度，重點研發出適合于我國木結構工程材料大型生產企業和科研單位所需的檢測裝備，為我國木結構工程材料的研制提供必要的檢測手段，并促進其在各領域的應用與發展。