改性速生楊木力學(xué)性能探究
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摘要：科技的進(jìn)步帶來(lái)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，同時(shí)也造成了環(huán)境的大量污染和勞動(dòng)力成本迅速提高。而速生楊木具有品質(zhì)優(yōu)良、生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、易加工等特點(diǎn)，所以對(duì)其進(jìn)行改性后的試驗(yàn)研究，掌握改性后速生楊木的基本力學(xué)性能規(guī)律，進(jìn)而擴(kuò)大速生楊木的應(yīng)用范圍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：改性速生楊木；力學(xué)性能；裝配式；關(guān)鍵技術(shù)
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，造成環(huán)境大量污染和勞動(dòng)力成本迅速提高[1-2]。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)家頒布一系列文件要求大力推廣裝配式建筑，各地都提出了新建建筑裝配化率的目標(biāo)，并且都提到木結(jié)構(gòu)裝配化的問(wèn)題。由于中國(guó)的森林覆蓋率不高，且近年來(lái)，為了保護(hù)林區(qū)的森林資源，維持完整的生態(tài)環(huán)境，國(guó)內(nèi)多個(gè)林區(qū)已逐漸被禁止采伐，尤其以東北大小興安嶺為主的林業(yè)濕地，完全被禁止商業(yè)采伐，導(dǎo)致中國(guó)木材產(chǎn)量明顯減少，難以滿足市場(chǎng)的需求，致使木結(jié)構(gòu)建筑的生產(chǎn)和推廣受到嚴(yán)重制約。速生楊木除本身具有品質(zhì)優(yōu)良、生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、抗寒及抗病蟲(chóng)害能力強(qiáng)、木質(zhì)輕、易加工、管理粗放等特點(diǎn)外，還具有綠化環(huán)境、防風(fēng)固沙和其經(jīng)濟(jì)效益較好等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。一般而言，速生楊的育林苗木定植后，5年就可以成材，因此大面積營(yíng)造速生豐產(chǎn)用材具有良好的發(fā)展前景。為了更好地利用這一天然資源，有必要以改性速生楊木為研究目標(biāo)，進(jìn)行其改性后的試驗(yàn)研究，掌握改性后速生楊木的基本力學(xué)性能規(guī)律，進(jìn)而擴(kuò)大速生楊木的應(yīng)用范圍。
1存在的問(wèn)題
存在的問(wèn)題主要如下：①對(duì)木結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不足，從社會(huì)角度、高校角度、科研院所角度、設(shè)計(jì)院角度分析，大部分認(rèn)同的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)意識(shí)淡薄，設(shè)計(jì)積極性不高。②對(duì)相關(guān)規(guī)范理解不夠深刻，支持不夠。中國(guó)木結(jié)構(gòu)規(guī)范相對(duì)較陳舊，對(duì)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不夠，設(shè)計(jì)院無(wú)規(guī)范可用，此前，各種規(guī)范沖突較明顯，木結(jié)構(gòu)的防火規(guī)范限制較大，這些都遏制了木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。③木結(jié)構(gòu)的企業(yè)設(shè)計(jì)能力薄弱，設(shè)計(jì)時(shí)分析不夠明確。中國(guó)現(xiàn)階段木結(jié)構(gòu)企業(yè)的設(shè)計(jì)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程不夠完善，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中受力分析不夠明確，套用固定模式的現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)構(gòu)件受力分析過(guò)于簡(jiǎn)單。
2研究?jī)?nèi)容
速生楊木材性基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。為了能夠全面地了解速生楊木的力學(xué)性能，對(duì)速生楊木進(jìn)行順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、橫紋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度、彈性模量和含水量的試驗(yàn)研究，為后面的改性打下基礎(chǔ)。改性速生楊木（不同厚度和不同紋理）的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。將速生楊木切割為不同厚度的試件，然后用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠結(jié)改性，并分析其力學(xué)性能指標(biāo)，探索合理厚度、強(qiáng)度和價(jià)格之間的最合理結(jié)合點(diǎn)。同時(shí)考慮不同紋理對(duì)其基本力學(xué)性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)研究得到最佳紋理的粘接方式，為后面的進(jìn)一步改性提供基礎(chǔ)。試驗(yàn)過(guò)程中，觀察改性前后的抗壓強(qiáng)度，確定不同厚度及不同紋理方向的速生楊木膠結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能。碳纖維改性速生楊木的強(qiáng)度試驗(yàn)研究。根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，考慮碳纖維布的不同紋理方向、不同配纖率、不同位置對(duì)改性速生楊木的力學(xué)性能的影響變化規(guī)律，得到其基本力學(xué)性能的變化規(guī)律，確定不同配纖率和配纖位置下速生楊木膠結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能并進(jìn)行縮尺柱和梁的受力性能試驗(yàn)研究。鋼板改性速生楊木的強(qiáng)度試驗(yàn)研究。根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，考慮鋼板的不同寬度、不同配鋼率和不同位置對(duì)改性速生楊木的力學(xué)性能的影響變化規(guī)律，得到其基本力學(xué)性能的變化規(guī)律。確定不同配鋼量及不同位置下速生楊木的力學(xué)性能，并進(jìn)行縮尺柱和梁的受力性能試驗(yàn)研究。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選及構(gòu)造研究。根據(jù)前面研究結(jié)果，選取合理經(jīng)濟(jì)的改性楊木形式，比較最優(yōu)設(shè)計(jì)方案并研究構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的連結(jié)方式，通過(guò)對(duì)梁柱體系和剪力墻體系進(jìn)行研究分析，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)判。速生楊木加工圖如圖1所示。改性速生楊木應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。
3關(guān)鍵技術(shù)
3.1材料改性技術(shù)
首先，在研究速生楊木原木性能的基礎(chǔ)上將速生楊木切割為不同厚度的試件，然后用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠結(jié)改性，對(duì)不同厚度和不同紋理改性速生楊木的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究并分析其力學(xué)性能指標(biāo)，探索合理厚度、強(qiáng)度和價(jià)格之間的最合理結(jié)合點(diǎn)。其次，考慮碳纖維布的不同紋理方向、不同配纖率、不同位置對(duì)改性速生楊木的力學(xué)性能的影響變化規(guī)律，得到其基本力學(xué)性能的變化規(guī)律。最后，考慮鋼板的不同寬度、不同配鋼率和不同位置對(duì)改性速生楊木的力學(xué)性能的影響變化規(guī)律，得到其基本力學(xué)性能的變化規(guī)律；確定碳纖維和鋼板對(duì)速生楊木的最優(yōu)配置方式。
3.2構(gòu)件改性技術(shù)
現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)研究主要分為柱、梁、板、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)等部分。首先針對(duì)縮尺柱采用結(jié)構(gòu)膠、碳纖維布、鋼板不同加固形式下分析其力學(xué)性能，得到為滿足結(jié)構(gòu)安全性能需求速生楊木改性構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)合理的組合方式。其次，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式短柱在結(jié)構(gòu)膠和鋼板的影響下的力學(xué)變化規(guī)律。最后，針對(duì)不同改性技術(shù)的梁進(jìn)行力學(xué)分析，得到相應(yīng)的力學(xué)規(guī)律和最優(yōu)的改性技術(shù)方案。
3.3結(jié)構(gòu)體系和梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造技術(shù)
選取該種改性木材下的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)體系，并在梁柱節(jié)點(diǎn)等連接技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，為改性速生楊木構(gòu)件設(shè)計(jì)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。
4發(fā)展趨勢(shì)
中國(guó)木結(jié)構(gòu)在初期發(fā)展階段主要發(fā)展趨勢(shì)如下：①發(fā)展綠色建筑、裝配式建筑、節(jié)能環(huán)保性建筑將是未來(lái)發(fā)展的方向。②該建筑體系將大量應(yīng)用于特色建筑群、個(gè)性化建筑、文化旅游類(lèi)項(xiàng)目。③展示型建筑、旅游度假村等將會(huì)有大量應(yīng)用，可以展示高端大氣、高品質(zhì)生活。④在宗教文化建筑及傳統(tǒng)文化建筑方面占有不可替代的作用。⑤將在建筑工業(yè)化中得到大量的應(yīng)用。推進(jìn)裝配式建筑的過(guò)程中木結(jié)構(gòu)的發(fā)展是一個(gè)契機(jī)，未來(lái)在裝配式工業(yè)化的道路上將會(huì)有大量的應(yīng)用。⑥在大跨度建筑中得到應(yīng)用和推廣。
5應(yīng)用前景
如今中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，工業(yè)化建設(shè)步伐也日益加快，中國(guó)的生態(tài)建設(shè)也是一路高歌猛進(jìn)，使得人們對(duì)資源的需求更是逐年增多。在建筑領(lǐng)域，各種材料的需求也是不斷增加。人們逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的材料——木材，更符合21世紀(jì)新的環(huán)境與材料相協(xié)調(diào)發(fā)展的趨勢(shì)，更符合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。由此可預(yù)見(jiàn)，在現(xiàn)代新型城鎮(zhèn)化建設(shè)與高端社區(qū)別墅建設(shè)中木材資源將備受民眾喜愛(ài)，成為高端產(chǎn)品。歸其主要原因，則是木材在建筑領(lǐng)域具有突出的優(yōu)越性能，具體有以下幾點(diǎn)：①綠色環(huán)保。木材是綠色的可再生資源，木結(jié)構(gòu)房屋也是環(huán)保趨勢(shì)。木質(zhì)產(chǎn)品無(wú)異味，無(wú)有毒有害氣體，作為建筑材料也滿足健康環(huán)保要求。②結(jié)構(gòu)安全。木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，在周期性疲勞破壞與瞬間沖擊荷載中具有良好的延性，并且強(qiáng)度剛度大。相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有自重輕、延性好、在地震荷載作用下穩(wěn)定性突出。例如，日本在地震多發(fā)區(qū)沿海區(qū)房屋建筑多為木結(jié)構(gòu)。③保濕保溫。木材細(xì)胞壁較稀松，細(xì)胞組織獨(dú)特，與空氣中的水分子反應(yīng)較大，具有自吸濕與解吸功能，與周?chē)h(huán)境融合較為密切，對(duì)室內(nèi)溫度濕度變化較敏感，能起到保溫保濕效果。④設(shè)計(jì)多樣。木制品施工簡(jiǎn)單，選擇多樣，對(duì)房型設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)，可達(dá)到個(gè)性突出、靈活多變的設(shè)計(jì)效果。隨著中國(guó)對(duì)木質(zhì)建筑的重視和政策上的引導(dǎo)以及人們回歸自然的心態(tài)，一定會(huì)促使木質(zhì)資源在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用。
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作者:劉慶娟 秦建恒 單位:山東協(xié)和學(xué)院