OSB組合異型短柱軸壓試驗研究

蘇正　曹寶珠　張聰　宋文濤　凌苛苛

摘要：為研究定向結構刨花板（Oriented Strand Board ， OSB）組合而成的異型短柱在軸壓條件下的極限承載力及破壞特征，設計9個不同截面類型及螺釘間距的短柱試件以及5塊同尺寸OSB板件，通過靜力加載試驗對其承載力大小、變形能力和破壞形態進行研究。根據試驗結果，對不同類型、不同釘距短柱的破壞機理進行分析，提出基于組合系數和異型系數修正的短柱極限承載力公式，建立短柱極限承載力與短柱類型、釘距、高厚比、板材彈性模量、泊松比及板材長寬厚之間的關系。結果表明：隨著釘距的減小，短柱承載力得到提高而延性隨之降低，短柱破壞由中部撓曲破壞轉變為端部剪切破壞;提出的短柱極限承載力公式的計算值與試驗值符合較好，先求短柱組成板件的承載力再用組合系數及異型系數修正來得到短柱最終承載力的方案可行。

關鍵詞：OSB;異型短柱;軸壓試驗;異型系數;極限承載力

中圖分類號：TU366文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）03-0114-07

Axial Compression Test of OSB Combined Special-shaped Short Columns

SU Zheng， CAO Baozhu*， ZHANG Cong， SONG Wentao， LING Keke

（School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou 570228）

Abstract：In order to study the ultimate bearing capacity and failure characteristics of special-shaped short columns composed of Oriented Strand Board （OSB） under axial compression， nine short column specimens with different section types and screw spacing and five OSB specimens of the same size were designed. The bearing capacity， deformation capacity and failure mode were studied by static loading test. According to the test results， the failure mechanism of short columns with different types and different nail spacing was analyzed， and the formula of ultimate bearing capacity of short columns modified by combination coefficient and special-shaped coefficient was proposed. The relationship between the ultimate bearing capacity of short columns and the types of short columns， nail spacing， height-thickness ratio， elastic modulus， Poissons ratio of plates， length and width of plates was established. The results showed that with the decrease of nail spacing， the bearing capacity of short columns increased and ductility decreased， and the failure of short columns changed from flexural failure in the middle to collapse failure in the end. It was feasible to get the ultimate bearing capacity of short columns.

Keywords：OSB; special-shaped short columns; axial compression test; abnormal coefficient; ultimate bearing capacity

0引言

定向結構刨花板（OSB）作為工程人造板自1964年在加拿大問世，在過去的25年中得到了廣泛地應用，產量持續穩定增長。中國OSB正式研究始于1978年，曾列入國家“八五”科技攻關項目，南京林業大學還成立了定向結構板工程研究中心，對OSB進行了比較系統的研究。1991年首條引進的OSB生產線在南京落成;1995年首條國產OSB生產線在福建建甌建成，同年獲專利。1998年開始起草OSB的行業標準（LY/T158022000），并于2001年開始正式頒布實施[1-5]。OSB板具有材質均勻、握釘力好和防潮等優點，將其作為結構板材已應用于冷彎薄壁型鋼復合墻體[6-7]、樓蓋[8-11]、木結構墻體附面板[12-13]、樓面板[14]和木質工字梁的腹板[15]等結構上，并顯示出了良好的工程性質。然而，將OSB板材通過螺釘連接形成組合柱的研究較少，這也制約了OSB板在低層輕型住宅中的應用。為此，本文設計了3種類型共9個試件的OSB組合異型短柱，并進行了近似軸壓試驗（無法完全消除柱端摩擦約束，用角磨機對柱端進行拋光處理以減小誤差），著重探究不同截面形式、不同螺釘間距參數對組合短柱承載力及破壞特征的影響。

1試驗概況

1.1試件設計

本次試驗采用北新集團產OSB板材，如圖1所示，參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》（GB/T17657-2013）[16]中的材性試驗方案進行了材性試驗，其性能參數見表1。OSB組合異型短柱構造形式如圖2所示，截面尺寸如圖3所示。3種類型短柱均由400 mm×200 mm×18 mm（長×寬×厚）的OSB板組合而成，短柱上下端用間距為25 mm的兩排自攻螺釘加強連接，每種類型短柱均有150、100、50 mm 3種螺釘間距。本次試驗試件連接均采用規格為M5.5-24T（12#—50）的六角法蘭面自鉆自攻螺釘。

1.2試件加載方式

試驗使用濟南試金集團有限公司制造的型號為YAW-3000A微機控制電液伺服壓力試驗機，采用位移控制加載，加載速率為5 mm/min，試件破壞設定為加載力下降20%。正式加載前先進行載荷為1 kN預加載使上下加載板與短柱上下面之間的縫隙閉合，試驗加載示意圖如圖4所示。

2試驗結果與分析

對3種類型共9根異型短柱及5塊同尺寸OSB板進行軸壓試驗。其中5塊OSB板試驗現象基本相同，在加載前期并無明顯現象，當承載力達到約80%極限承載力時開始有“噼啪”聲，聲音來自于板材內部結構性片材破壞，隨著承載力提高，“噼啪”越來越緊湊，當達到極限承載力時，OSB板“啪”一聲從中部斷裂，裂縫為鋸齒狀，整個板材向一側撓曲，承載力快速下降，破壞情況如圖5所示。

在9根異型短柱試驗現象中，相同釘距不同類型的短柱破壞特點并無本質差別，而不同釘距之間試驗現象則有明顯不同。其中A、B、C型150 mm釘距的短柱前期現象與OSB板軸壓現象基本相同，在接近極限承載力時新出現“蹦、蹦”聲音，聲音來自于螺釘螺紋的拔出，隨后即出現“啪”的板材斷裂聲，但承載力并未明顯下降，還能維持在較高的水平。繼續加載則在短柱上下端部出現木材壓潰現象，此時，短柱中部板材向外撓曲已較為明顯，垂直兩板間已有較大縫隙，肉眼可見拔出的螺釘螺紋上裹挾著黃色木屑。而A、B、C型100、50 mm釘距的短柱在整個實驗過程中并未出現中部破壞現象，在接近極限承載力時出現“蹦、蹦”聲，聲音同樣來自于螺釘螺紋的拔出，所不同的是螺釘拔出位置在短柱端部，之后承載力持續下降，端部木材也有壓潰現象，9根短柱破壞情況如圖5所示。

5個OSB板荷載—變形曲線及9根異型短柱荷載—變形曲線如圖6所示，各試件極限承載力及對應變形見表2。

由OSB板的荷載—變形曲線可以看出，在承載力上升期基本呈線性變化，試件達到極限承載力后并不能維持在較高水平，脆性特征比較明顯，這也與OSB板試驗破壞現象為中部撓曲破壞相一致。類型A、類型B與類型C不同釘距的荷載—變形曲

線有著相同的規律，隨著短柱釘距的減小曲線斜率增大，極限承載力提高，變形能力下降，釘距為150 mm的3種類型短柱在達到極限承載力時均有一段延性平臺，而釘距為100 mm和50 mm的兩種類型短柱在達到極限承載力時沒有類似延性平臺。由相同釘距不同類型短柱荷載—變形曲線的對比可以看出，類型A與類型C的極限承載力及荷載—變形曲線變化趨勢基本相同，而類型B短柱150 mm釘距的極限承載力低于類型A與類型C的極限承載力，當釘距為100 mm和50 mm時則明顯高于類型A與類型C的極限承載力，故可以認為，螺釘加密對B類型短柱極限承載力的提高作用更為明顯。

綜合分析短柱試驗破壞現象和荷載—變形曲線可以發現，釘距對短柱破壞現象及荷載—變形曲線有明顯影響，釘距較長時短柱中部受彎破壞，表現出一定延性特征，短柱開裂后承載力并未快速喪失，相應的荷載—變形曲線有屈服平臺;隨著釘距的減小，短柱端部剪切破壞成分增多，短柱一裂就壞，破壞后不能繼續承載，對應的荷載—變形曲線拐點明顯。

3理論推導

由表2知，各類短柱極限承載力均大于4塊OSB板承載力之和，即14.3×4=57.2 kN。想到短柱極限承載力是否可以通過先求出組成的板件承載力，再用各自組合系數和外形系數加以修正來得到，現提出短柱極限承載力通用公式：

N=μ1μ2（l1+l2+l3+l4）Pcr。 （1）

μ1=elgλ·0.5lgs。 （2）

式中：N為短柱的極限承載力;μ1為板件組合系數（與OSB板高厚比λ及螺釘間距s有關）;μ2為短柱異型系數（與短柱類型有關，類型A、類型B、類型C短柱異型系數分別取為0.586、0.606、0.675）;l1、l2、l3、l4為組成短柱的板件寬度;Pcr為OSB板單位寬度壓力。

由短柱極限承載力公式可以看出，OSB板單位寬度壓力Pcr為求解的關鍵。參考陳驥《鋼結構穩定理論與設計》（第六版）[17]，板厚t為18 mm，板寬b為200 mm，1/100～1/80

再用瑞利—里茲法即可求解Pcr。瑞利—里茲法求解板的屈曲荷載時需假定符合板的幾何邊界條件的撓曲面函數。假定此函數為

ω=∞m=1∞n=1Amnf（x，y）。（6）

將此式代入總勢能的計算公式中，積分后，根據勢能駐值原理，建立一組A11=0，

A12=0，…，Amn=0的線性方程組，該方程組有非零解的條件是此方程組系數行列式為零，即板的屈曲方程。方程解得通式為

Pcr=kπb2·Et312（1-v2）。 （7）

帶入相應邊界條件并整合公式得短柱極限承載力公式為

N=elgλ·0.5lgsμ2（l1+l2+l3+l4）·

0.16πb2·Et312（1-v2）。（8）

現將不同類型、不同釘距的短柱參數代入承載力公式（8），求得理論承載力與試驗承載力進行對比，結果見表3。

從表3數據對比可以看出，由公式推導的理論承載力與試驗承載力較為接近，且多數情況下理論承載力低于試驗承載力，提供了一定的承載力富余。從表中還能看出當釘距為50 mm時理論承載力略微偏大，可以在設計時適當增大安全系數。

4結論

（1）基于OSB板組合的異型短柱具有較高的承載力，在釘距適當情況下也有較好的延性，這為低層輕型住宅的設計提供了更多的結構性選擇。

（2）減小釘距對類型B短柱承載力的提高較類型A、C短柱承載力的提高作用更為明顯。

（3）通過先求得板件承載力，再用組合系數和異型系數進行修正而最終得到短柱承載力的方案可行，同時提出的短柱最終承載力公式與試驗結果符合較好，可為類似構件及試驗提供一定的參考。

（4）本次試驗研究集中于短柱類型和釘距對承載力的影響，其他參數如板厚、高厚比和釘長等對承載力和變形的影響以及長柱的研究、防火防腐蝕和非軸壓作用等需后續系列試驗研究。

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