木結構組合板蒙皮效應研究

王衛鋒，崔楠楠，顏全勝，黃仕平，朱競翔，夏珩

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510640;2.香港中文大學建筑學院，香港)

木結構具有資源再生、綠色環保、建造方便、自重較小、抗震及耐久性能好等眾多優點，在北美、歐洲等地大量應用于住宅建筑和公用建筑中。木材在我國古代曾是一種主要的建筑材料，近現代以來逐漸被混凝土、鋼材等取代。與其他材料結構相比，木結構質量較輕，具有較好的抗震性能，其多次超靜定結構體系在側向力作用下具有極好的延性［1-2］。近年來，木材因其優秀的抗震性能，重新引起研究者的關注。

木材是受保護能源，如何在保證強度和剛度的前提下節省材料是值得研究的問題。蒙皮這一結構概念來源于汽車、飛機及船舶行業，蒙皮效應是指在主體結構物表面覆蓋殼面，使結構的剛度和強度加強，設計中考慮蒙皮效應能減少用材量［3-8］。在建筑業中，我國僅對輕鋼結構蒙皮效應進行了初步探討［3，6］，對于木結構蒙皮效應的研究還是空白。本文將對一種新型木結構組合板進行試驗研究，分析蒙皮對結構力學性能的影響，為節約用材、減輕自重拓展新思路，并對實際工程中蒙皮的設計提供有益的參考。

1 試驗方案

1.1 試件概況

試驗所用新型木結構組合板如圖1所示。組合板尺寸為1 800 mm×1 245 mm，主體結構由3根縱梁(40 mm ×25 mm)、10 根橫梁(50 mm ×20 mm)、3根橫梁(100 mm×20 mm)組成。3根縱梁之間填充輕質泡沫，上層橫梁之上覆蓋3 mm厚的蒙皮木板，下層橫梁之下覆蓋9 mm厚的石膏板和3 mm厚的蒙皮木板。縱梁、橫梁和蒙皮板之間為鉚釘連接。

圖1 組合板結構Fig.1 The layout of the composite timber structure

為研究蒙皮效應對結構力學性能的影響，試驗試件分為2組:A組為如圖1所示的標準組合板，B組為去掉蒙皮板和石膏板之后的主體結構(僅有橫梁縱梁和填充泡沫)。2組試件結構如圖2所示。

圖2 試件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test structures

用重10 kg標準加載塊進行加載，近似模擬組合板所受的均布荷載，如圖3所示。正式試驗前，先進行預載，以檢查各儀表、傳感器工作情況，消除各種非線性初始影響。A組帶蒙皮組合板試驗最大設計荷載為3 kN(均布荷載約1.35 kN/m2)，分20%、40%、60%、80%、100%共5級加載，加至最大荷載后，以同樣的荷載級分5級卸載至0，然后做破壞試驗。B組未蒙皮組合板試驗最大設計荷載為1.6 kN(均布荷載約為0.71 kN/m2)，分25%、50%、75%、100% 共4級加載，以同樣的荷載級分4級卸載至0，然后做破壞試驗。為測試結構的強度和剛度，在關鍵部位進行豎向撓度和應變的測量，測點布置如圖4所示。試件的豎向撓度由百分表測量，應變由鋼弦傳感器測量，用TDS303靜態應變儀采集數據。

圖3 帶蒙皮組合板結構加載圖Fig.3 The loading test for composite timber structure with skin plate

圖4 測點布置圖Fig.4 The location of the measure points

2 有限元模型數值結果

有限元計算的結果可以作為試驗設計的依據，同時通過試驗數據亦可反觀其可靠性，因此有限元計算對試驗與分析都具有重要意義［9-12］。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS對試驗過程進行數值模擬。模型采用三維8節點實體單元SOLID 45模擬縱橫梁和蒙皮板，因石膏板和填充泡沫彈性模量遠小于木材，其剛度貢獻有限，因此忽略二者的影響。縱橫梁和蒙皮板主要在縱紋方向受力，將木材等效為各向同性的勻質材料，根據文獻［10］，取順紋方向的彈性模量10 000 MPa，泊松比0.03。橫梁與蒙皮板的釘連接采用矩陣單元MATRIX27模擬，根據文獻［13］，釘連接的豎向剛度取1 000 kN/m，橫向剛度200 kN/m。模型支撐方式為單向簡支，本文僅進行彈性分析。為確保分析準確，結構網格進行了精細劃分:其中帶蒙皮組合板模型共147 903節點，471 814單元;未帶蒙皮板模型共50 677節點，181 814單元。最大荷載下A、B組撓度和應力云圖如圖5所示。

圖5 最大荷載下A、B組撓度和應力云圖Fig.5 The finite element analysis results for A and B groups under maximum loads

3 試驗與有限元計算結果對比分析

3.1 試驗結果與分析

根據試驗數據畫出荷載-撓度曲線以及荷載-應力曲線，如圖6所示。從圖中可以看到，帶蒙皮組合板具有較好的剛度和強度。《木結構設計規范》［14］對強度和剛度的取值如下:對強度取值為(TC15等級)15 MPa，剛度取值為L/250(L為板的跨徑，按照試驗支撐方式，除去支座，計算跨徑取1 700 mm，即對組合板的允許撓度為6.8 mm)。撓度測點(A～E)和應力測點(1～4)均隨荷載增大而增大。對照試驗所得的荷載-撓度曲線，帶蒙皮組合板設計均布荷載可取為0.62 kN/m2左右(圖6(a)跨中撓度E點撓度達到6.8 mm所對應的均布荷載值);未蒙皮組合板設計均布荷載可取為0.24 kN/m2左右(圖6(c)跨中撓度E點撓度達到6.8 mm所對應的均布荷載值)。根據荷載-應力曲線，帶蒙皮組合板設計均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右(圖6(b)近跨中2、4測點應力達到15 MPa所對應的均布荷載值);未蒙皮組合板設計均布荷載可以取為0.55 kN/m2左右(圖6(d)近跨中2、4測點應力達到15 MPa所對應的均布荷載值)。由此可見，帶蒙皮組合板的剛度和強度比未蒙皮組合板均有較大的提高，分別提高了167%和64%。圖6(e)～(f)分別對2組構件撓度(E點)和應力(4測點)做了對比，同樣可以看出帶蒙皮組合板有較大的增強作用。

圖6 試驗結果曲線圖Fig.6 The curves of the experimental results

此外，對比蒙皮組合板和未蒙皮組合板的荷載-撓度曲線和荷載-應力曲線，可以發現未蒙皮組合板測點的撓度和應力在卸載后基本回到加載前的零點，而帶蒙皮組合板的撓度和應力在卸載后并未回到零點，有所剩余。原因可能有2個:1)蒙皮板和主體結構鉚釘連接不夠牢固，在加載過程中出現松動從而引起錯位;2)蒙皮板處于上下層邊緣，容易進入塑性狀態。

組合板在破壞時出現較大變形，為避免測量儀器損壞，破壞試驗時未測量應力和撓度，僅獲得其極限荷載。A組在加至2倍試驗荷載6 kN(均布荷載約2.7 kN/m2)時仍未發生破壞，但已出現較大撓度，考慮試驗人員安全，終止試驗。B組在3.8 kN(均布荷載約1.7 kN/m2)發生破壞，板在跨中被拉斷。因此帶蒙皮組合板的極限荷載至少為未蒙皮板組合板的1.6倍。

3.2 試驗結果與有限元計算對比

有限元計算結果與試驗結果對比如圖7。

圖7 試驗數據與計算結果比較圖Fig.7 The comparison between the experiment and the simulation

圖7(a)、(b)分別對A組跨中(E測點)撓度和近跨中(4測點)的應力與有限元結果進行對比，吻合度較好。同樣，圖7(c)、(d)分別對B組跨中(E測點)撓度及近跨中(4測點)的應力和有限元結果進行對比，亦有較好的吻合度。由此可見，建立的有限元模型可以較為準確地反映組合板的受力性能，可用于這類組合板的進一步參數分析。

4 材料節約量計算

為了計算蒙皮效應所帶來的材料節約量，本文利用有限元計算軟件，將蒙皮組合板等效為面積相同的單一材料木板。等效分2種方式進行:

1)剛度等效:在試驗最大荷載下(1.35 kN/m2)，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中撓度，等效的木板厚度為22 mm。

2)強度等效:在試驗最大荷載下，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中最大應力，等效的木板厚度為12 mm。

等效的結果表明，當同時滿足剛度和強度要求時，帶蒙皮組合板的木材使用量為0.039 m3，單一材料木板的用量為0.049 m3。由此可見，此種新型的木結構組合板可以節約20%的材料。

5 結論

1)根據試驗得出的帶蒙皮組合板的設計荷載，對照荷載-撓度曲線，設計均布荷載可取為0.62 kN/m2左右;根據荷載-應力曲線，設計均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右，因此，設計荷載可取0.62 kN/m2。極限強度(破壞荷載)可達2.7 kN/m2以上。

2)帶蒙皮組合板比未蒙皮組合板在剛度和強度均有較大的增強作用，分別提高了167%和64%。此外，試驗表明，帶蒙皮組合板的極限荷載為未蒙皮板組合板的1.6 倍。

3)有限元分析結果與試驗結果較為吻合，說明建立的有限元模型可以較準確地反映組合板的受力性能，因此，有限元模型可用于這類組合板的進一步參數分析。

4)有限元計算表明，在同時滿足剛度和強度要求的情況下，相較單一材料木板，帶蒙皮組合板可以節約20%的材料。

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