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木結(jié)構(gòu)材料性能檢測研究

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木結(jié)構(gòu)材料性能檢測研究

木結(jié)構(gòu)工程材料

1、木結(jié)構(gòu)工程材料簡介

與普通的非結(jié)構(gòu)用板材相比,木結(jié)構(gòu)工程材料力學性能較高、板材層數(shù)較多、厚度較大,最重要的是木結(jié)構(gòu)工程材料具有強度設(shè)計值,廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路、運輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著建筑、橋梁、道路、運輸?shù)阮I(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,對優(yōu)質(zhì)木結(jié)構(gòu)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(fā)高性能、低成本、環(huán)保的木結(jié)構(gòu)工程材料,包括物理力學性能好、握釘力強、結(jié)構(gòu)性能和尺寸穩(wěn)定性好、耐老化及耐化學腐蝕的結(jié)構(gòu)板材。

2、木結(jié)構(gòu)工程材料的主要力學性能

木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大尺寸構(gòu)件的彈性模量、靜曲強度、內(nèi)結(jié)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(guān)標準

1、國外木結(jié)構(gòu)工程材料檢測方法

木結(jié)構(gòu)工程材料力學性能檢測裝備現(xiàn)狀□國家林業(yè)局北京林業(yè)機械研究所張偉金征楊建華□中國林科院林業(yè)新技術(shù)研究所張偉金征由于木結(jié)構(gòu)工程材料具有優(yōu)越的力學性能,其應(yīng)用越來越廣泛。本文概況介紹了木結(jié)構(gòu)工程材料的主要力學性能及其國內(nèi)外相關(guān)檢測裝備,同時重點介紹了國家林業(yè)局北京林業(yè)機械研究所研發(fā)的相關(guān)檢測設(shè)備。在國外,木結(jié)構(gòu)工程材料是主要的建筑材料和結(jié)構(gòu)材料之一。在木結(jié)構(gòu)工程材料物理力學性能檢測技術(shù)研究方面,主要開展了彈性模量和缺陷無損檢測技術(shù)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(yīng)力波法等,其中機械分等法、振動法應(yīng)用廣泛。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,力學性能檢測朝著高速化、智能化方向發(fā)展。

2、國外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標準

國外木結(jié)構(gòu)工程材料相關(guān)標準有:美國工程木協(xié)會(APA)了關(guān)于建筑覆面板材料的APAPS1-95《建筑和工業(yè)用膠合板》、APAPS2-2004《木基結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)覆板標準》、CAN/CSA-0325.1-92《建筑結(jié)構(gòu)覆板性能試驗方法》,美國材料與試驗協(xié)會標準(ASTM)了ASTME72-1995《建筑用面板傳導強度的試驗方法》、ASTMD2718-2000《結(jié)構(gòu)板平面剪切(滾剪)試驗方法》、ASTMD3500-90(2003)《結(jié)構(gòu)板抗拉結(jié)構(gòu)的試驗方法》、ASTMD3499-94(2005)《木質(zhì)結(jié)構(gòu)板抗沖擊韌性的試驗方法》、ASTMD3043-00(2006)《檢驗結(jié)構(gòu)板彎曲情況的標準方法》、ASTMD3044-94(2006)《檢驗木質(zhì)結(jié)構(gòu)板剪切模數(shù)的試驗方法》、ASTMD2719-89(2007)《結(jié)構(gòu)板縱向剪切的試驗方法》、以及ASTMD3501-05a《木質(zhì)結(jié)構(gòu)板的壓縮試驗方法》等。

3、國內(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測方法

在國內(nèi),隨著木結(jié)構(gòu)工程材料市場需求量的逐漸增加,相關(guān)產(chǎn)品及其檢測技術(shù)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(wěn)定性等測試,大多采用實驗室試驗機常規(guī)力學性能測試法。應(yīng)力波與超聲波法雖已應(yīng)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(nèi)木結(jié)構(gòu)工程材料檢測相關(guān)標準

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

木結(jié)構(gòu)工程材料主要檢測裝備

木結(jié)構(gòu)工程材料克服了木材自身的缺點,比如因組織構(gòu)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(wěn)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(chǎn)品木材原料的優(yōu)材優(yōu)用、適材適用,鋸材與板材產(chǎn)品質(zhì)量的可控性引起了廣泛關(guān)注,尤其是作為木質(zhì)工程材料時,木結(jié)構(gòu)工程材料的強度設(shè)計是必不可少的一環(huán)。產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平的關(guān)鍵在于實驗室和工廠化在線檢測技術(shù)的水平和評價體系是否完善,因此,開發(fā)木結(jié)構(gòu)工程材料性能檢測裝備成為了首要任務(wù)。目前國內(nèi)外已開發(fā)了多種檢測設(shè)備,能夠?qū)δ窘Y(jié)構(gòu)工程材料進行力學性質(zhì)的檢測。

1、通用力學性能檢測設(shè)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(jié)構(gòu)件進行性能檢測實驗的設(shè)備,主要有萬能力學試驗機、靜曲強度測試設(shè)備、蠕變和撓度測試設(shè)備、彈性模量檢測設(shè)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(tǒng)、驅(qū)動單元、伺服電機、齒輪、皮帶、橫梁系統(tǒng)、功能附件及反饋裝置等??刂葡到y(tǒng)發(fā)出給定信號,通過功率放大器驅(qū)動電機,電機轉(zhuǎn)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(tǒng),再與控制系統(tǒng)中的給定信號比較,形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過配置不同功能附件來實現(xiàn)標準規(guī)格尺寸結(jié)構(gòu)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(shè)備

靜曲強度測試設(shè)備主要由支撐、壓頭、傳動機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)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(shù)(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(guān)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(yīng)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(shè)備

蠕變和撓度測試設(shè)備主要由支撐、施壓裝置、傳動機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在恒定外力作用下,木材應(yīng)變隨時間而增加稱為蠕變。撓度是指梁、桁架等受彎構(gòu)件在荷載作用下的的豎向變形。在考慮某種木質(zhì)材料是否適用于結(jié)構(gòu)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(yīng)力水平、樹種和材質(zhì)變異等因素影響。撓度與荷載大小、構(gòu)件截面尺寸以及構(gòu)件的材料物理性能有關(guān)。

(4)彈性模量檢測設(shè)備

彈性模量的檢測設(shè)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(shè)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(shù)圖線可知,自由端不是節(jié)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(chǎn)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(shù)分析和模態(tài)分析,得到試樣固有頻率。根據(jù)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(shè)備,主要組成是聲發(fā)射器、聲接收器和超聲波測試儀。超聲波產(chǎn)生聲脈沖進入被檢測材料中,經(jīng)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(shù)并進行處理,進行材料性質(zhì)預測。不同的超聲波參數(shù)(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(jié)構(gòu)材腐朽程度等。第三,基于應(yīng)力波的彈性模量檢測設(shè)備,主要由小錘、加速度傳感器、應(yīng)力波測試儀、計算機軟件等組成。該設(shè)備通過測量應(yīng)力波在試件中的傳輸速度,結(jié)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(shè)備

這部分主要是介紹一些針對一種或幾種木結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行力學性能檢測的設(shè)備,主要有立式彎曲試驗機、剪力墻測試設(shè)備、沖擊載荷測試設(shè)備、疲勞強度測試設(shè)備、結(jié)構(gòu)膠合板力學性能試驗機、結(jié)構(gòu)鋸材機械應(yīng)力分等試驗機、木結(jié)構(gòu)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(gòu)、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,其中加載框架由主動立柱和從動立柱構(gòu)成,通過兩組加載框架分別在板材兩端相對應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)板材或截取板條的彎曲特性試驗。

(2)剪力墻測試設(shè)備

剪力墻測試設(shè)備主要由固定框架、傳動機構(gòu)、液壓裝置、力矩和位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。根據(jù)建筑墻體受力特點,主要測試結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)造參數(shù),如墻板安裝的連接方式、連接件規(guī)格及性能參數(shù)、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(shè)備

沖擊載荷測試設(shè)備主要由沖擊錘、支撐橫梁、邊緣延長支撐、傳動機構(gòu)、液壓裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制器等部分組成,通過電腦控制系統(tǒng)完成測試工作,完全實現(xiàn)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(fā)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(shè)備

目前國內(nèi)疲勞強度測試設(shè)備主要是用于集裝箱底板測試,該設(shè)備主要由荷載小車、固定框架、傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)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(zhí)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(wěn)定程度。

(5)結(jié)構(gòu)膠合板力學性能試驗機

國家林業(yè)局北京林業(yè)機械研究所(以下簡稱北京林機所)研發(fā)的結(jié)構(gòu)膠合板力學試驗機。該設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)件上,形成雙跨連續(xù)板,根據(jù)板材兩端邊緣的支承情況分為3種受力態(tài),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(shè)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(diào)整方便;加載盤通過關(guān)節(jié)球軸承與連接軸相連,加載盤可以在一定的角度范圍內(nèi)擺動,實現(xiàn)平穩(wěn)均勻加載;整個試驗過程實現(xiàn)自動化,并有手動或自動試驗方式以供選擇;整個設(shè)備采用了模塊化和標準化設(shè)計,可實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性測試。

(6)結(jié)構(gòu)鋸材機械分等試驗機

北京林機所研發(fā)的結(jié)構(gòu)鋸材機械分等試驗機是將被測的結(jié)構(gòu)鋸材通過一個檢測通道,在該檢測通道中使得結(jié)構(gòu)鋸材在不破壞的情況下,形成恒定的彈性變形,測得相應(yīng)的施加載荷,再將所測得的數(shù)據(jù)通過測力傳感器傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng),算出該結(jié)構(gòu)鋸材的抗彎彈性模量的數(shù)據(jù),將該數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)分級組進行比對,對被測結(jié)構(gòu)鋸材做出強度分級,并將該分級結(jié)果輸出。該設(shè)備不僅結(jié)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(shù),以及設(shè)備振動、環(huán)境溫濕度等因素的影響,通過建立結(jié)構(gòu)木材的強度與抗彎彈性模量的對應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)木材質(zhì)量控制和快速分等。

(7)木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測試儀

北京林機所研發(fā)的木結(jié)構(gòu)桁架齒拔量測試儀主要用于監(jiān)測循環(huán)載荷作用下齒板變形量。該設(shè)備由溫濕度傳感器、高精度LVDT位移傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、RS485/RS232串口轉(zhuǎn)換模塊及工業(yè)控制計算機等組成。該測試系統(tǒng)可監(jiān)測齒板連接處發(fā)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(jiān)測齒板的齒拔量。數(shù)據(jù)采集模塊具有16位A/D轉(zhuǎn)換分辨率,8路差分輸入,提供RS-485接口與上位機連接,且?guī)в懈哌^壓保護,避免因現(xiàn)場和通道間干擾對數(shù)據(jù)采集的影響。測試系統(tǒng)可實時監(jiān)測循環(huán)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(fā)平臺可對采集數(shù)據(jù)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(huán)載荷對齒板連接性能的影響。

結(jié)語

隨著建筑、橋梁、房屋、道路、運輸?shù)阮I(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,木結(jié)構(gòu)工程材料的市場存在著巨大潛力,對優(yōu)質(zhì)木結(jié)構(gòu)工程材料的需求量日趨增加。因?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量控制水平要求的進一步提升,以及對產(chǎn)品采用無損檢測方式的追求,近年來,研究者開發(fā)了上述木結(jié)構(gòu)工程材料力學性能檢測設(shè)備,實現(xiàn)了對木結(jié)構(gòu)力學性能的精確檢測與分析,對木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板產(chǎn)品檢測技術(shù)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(jié)構(gòu)工程材料,要加強重視和投入力度,重點研發(fā)出適合于我國木結(jié)構(gòu)工程材料大型生產(chǎn)企業(yè)和科研單位所需的檢測裝備,為我國木結(jié)構(gòu)工程材料的研制提供必要的檢測手段,并促進其在各領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。