古代井鹽架中空組合木柱預應力研究

付 磊， 李 輝， 張應遷， 劉貞乾， 曾凡英， 付 伶， 侯 虹， 王 波

(1. 四川輕化工大學 機械工程學院， 四川 自貢 643000； 2.四川大學 空天科學與工程學院， 四川 成都 610065；3.四川輕化工大學 土木工程學院； 四川 自貢 643000； 4.四川遠建建筑工程設計有限公司， 四川 自貢 643000；5.四川輕化工大學 中國鹽文化研究中心， 四川 自貢 643000； 6.自貢市鹽業歷史博物館， 四川 自貢 643000)

0 引 言

井鹽架，也稱其為“天車”，是中國古代用于開鑿小口深井、修治井以及提取鹵水的支架[1].過去，工人們在制作天車時，通常將幾百根杉木分別捆成木樁，用竹篾繩索扎固，并將利用松木楔子來楔緊木柱與竹篾繩索之間的縫隙，利用竹篾繩索產生的張緊力將木柱箍緊成一個整體，然后將捆扎好的木樁豎于鹽井的井口，其外形結構[2-3]如圖1所示.

圖1天車結構示意圖

圖1中，天車架主斜柱及支斜柱，均系采用數根或多根衫木(現存天車架中主斜梁杉木最多根數為16根)圍合而成的中空外圓的空心組合木柱.由于這種中空外圓的組合木結構僅用人力是難以用竹篾繩或鋼絲繩箍緊，從而無法保證天車架的強度、剛度和穩定性[4]，在施工中，工人常采用在杉木與杉木之間及杉木與竹篾繩或鋼絲繩之間間隙中打入松木楔子的辦法，使竹篾繩或鋼絲繩中產生橫向預加應力，將空心組合木柱中的杉木箍緊.這種通過松木楔子箍緊產生的預應力使其能夠承受較大的外荷載作用.中空外圓組合木結構CAD圖如圖2所示.

圖2中空外圓木結構CAD圖

從圖2可見，這種特殊的空心木結構形式既節省材料又減輕了整個天車的重量，也同時有利于內部通風防止衫木腐爛[5].然而，迄今為止，國內外對這種中空外圓的預應力木結構的研究鮮有報道.鑒于此，本研究利用現代力學的檢測手段來測試圖3所示中捆扎空心組合木樁鋼絲繩(代替竹篾繩索)的捆扎力以及預應力，并提出改進空心組合木柱捆扎工藝的措施.

1 實驗方案

1.1 材 料

在實驗中，制作空心組合木柱所選用的杉木強度等級為TC13B，材質等級為IIc，杉木含水量控制在5%以內，杉木應無蟲蛀、腐蝕以及裂縫等缺陷.測試應變的鋼板材料選用Q235B，焊接鋼板，采用的焊條型號為E43.制作楔子所用的松木為TC13A馬尾松，材質等為IIc，含水量控制在15%以內.箍扎衫木的鋼絲繩采用3×7股的規格，鋼絲繩直徑d為1.4～1.6 mm，鋼絲繩抗拉強度為1.4～2.0 MPa.測試應變的電阻應變片采用深圳品控科技開發有限公司生產的NMB電阻應變片.

1.2 預應力空心組合木柱試樣制作

為使預應力測試更接近實際，實驗所用空心組合木柱采用11根杉木制作而成，杉木外徑約為200 mm.箍扎空心組合木柱采用3×7股的鋼絲繩(鋼絲繩直徑d=1.4～1.6 mm)，將松木楔子楔緊空心組合木柱與鋼絲繩之間的縫隙，鋼絲繩產生的張緊力將木柱箍緊成一個整體，箍扎形成的空心組合木柱外徑約為900 mm.箍扎形成的空心組合木柱結構實物圖形狀如圖3所示.

圖3空心組合木柱實驗試樣實物圖

實驗中，預應力空心組合木柱試件共制作3組，每根杉木的長度不小于2 m.每組空心組合木柱上用鋼絲繩箍扎三道，每道鋼絲繩間距為600 mm，每道鋼絲繩至少綁6圈，箍扎組合木柱的鋼絲繩兩端與貼應變的鋼板連接.箍扎形成的預應力空心組合木柱的結構形狀尺寸如圖4所示.

1.3 應變測試部件

實驗中，空心組合木柱預應力測試部件主要由應變測試鋼板、電阻應變片以及應變測試儀組成.應變測試鋼板由Q235B鋼板下料，經機械加工制作成尺寸為150 mm×80 mm×10 mm的測試試樣.試樣中部貼上電阻應變片.最后，用導線將電阻應變引腳線與電阻應變儀連接.預應力測試部件的實物圖以及結構尺寸圖如圖5所示.

圖4空心組合木柱實驗試樣結構尺寸

圖5預應力測試部件結構圖

1.4 測試步驟與測試要求

1.4.1 測試步驟

測試中，預應力測試共分3×3=9組，具體為：預應力鋼絲繩捆綁好后，在打入楔子前測量電阻應變片中應變一次(共9組)；在打入楔子張緊鋼絲繩后對電阻應變片產生的應變再測量一次(共9組).然后，將應變換算成應力，前后兩次測量的應力之差即為鋼絲繩中的預加應力，也即為空心組合木柱的預應力.應變測量簡圖如圖6所示，詳細測試步驟如下：

1)各道鋼絲繩捆綁后均在未打入松木楔子時各測量一次應變.

圖6應變測量位置示意圖

2)僅A道繩與木柱空隙間打入松木楔子后，測量各道繩中的應變一次.

3)在B道繩與木柱空隙間打入楔子后，測量各道繩中的應變一次.

4)在C道繩與木柱空隙間打入楔子后，測量各道繩中的應變一次.

5)檢查測量各道繩上楔子有無松動情況，若有松動應進行復打，復打后測量各道繩中的應變一次.

1.4.2 測試要求

為了使測試結果能夠較好地模擬天車空心組合木柱實際捆扎的受力情況，本研究對實驗試件的制作、捆扎工藝以及實驗操作做出如下要求：

1)預應力空心組合木柱試件的制作，要求與實際天車架預應力空心組合木柱制作要求一樣，試件長度應大于2 m.

2)預應力空心組合木柱試件制作時，不要求木柱試件外形呈上小下大的圓錐形.同時，不嚴格要求與天車架環境完全一致.

3)在預應力空心組合木柱試件上打入松木楔子時會對試件產生一定的振動.因此，應在試件與地面接觸處加上隔震墊，以免影響應變的測試精度.

4)在預應力空心組合木柱試件上打入楔子前，應在組合木柱試件的地面墊上鋼板(直徑d≥1 200 mm)，以避免打入楔子所產生的振動造成整個試件間杉木的相互錯動.同時，設計支架固定組合木柱以保證試件穩定.

2 實驗結果

2.1 實驗原始數據

按照確定的測試方法及要求，測量分3次進行，每次測得3組數據，共9組應變數據，分別如表1、表2以及表3所示.

2.2 空心組合木柱預應力計算

因實驗鋼板的應變屬于彈性應變，故根據彈性應力應變的計算公式[6]有，

σ=Eε

(1)

式中，σ為鋼板的拉應力，MPa；E為鋼板的彈性模量，

表1 第1次實驗鋼板應變數據(×10-6，με)

表2 第2次實驗鋼板應變數據(×10-6，με)

表3 第3次實驗鋼板應變數據(×10-6，με)

MPa；ε為電阻應變片中測量的應變.

結合表1、表2以及表3的實驗數據，即可求出各種加載情況下實驗鋼板的應力值，結果見表4.

表4 各種加載情況下鋼板的應力(單位：MPa)

結合表4的計算結果，根據公式(2)計算出三根鋼絲繩的拉力，由此可得到一根鋼絲繩的拉力，再由公式(3)計算出一根鋼絲繩的應力及預應力值，計算結果見表5.

F=wtσ

(2)

式中，F為鋼板承受的預拉力，即鋼絲繩中的預拉力,N；w為鋼板寬度，mm；t為鋼板厚度，mm.

(3)

式中，F為單根鋼絲繩拉力,N；A為鋼絲繩的面積，mm2.

表5 各種加載情況下單根鋼絲繩的應力與

同時，從表1、表2以及表3可見，實驗鋼板的最大應變為749×10-6，將其帶入式(2)，可計算出捆扎鋼繩所承受的最大拉力Fmax為123.44 kN.

3 結 論

本研究首次發現天車支撐木樁這種特殊的中空外圓的組合木結構的預應力現象，并將其命名為預應力空心組合木結構.同時，創造性地設計了實驗方案并成功測定了其受力性能.實驗結果顯示，這種特殊預應力空心組合木結構的捆扎力最大可達123.4352 kN，最大預應力值為107.532 MPa.因此，其具有很好的受力性能.

基于對實驗過程以及結果的分析，本研究提出如下改進該結構力學性能的措施，具體包括：采用柔性好的鋼絲繩捆扎以獲得較大的捆扎應力；在捆扎過程中應盡量保證空心組合木柱具有較好的圓柱度；加緊楔子時應注意圓周方向以及軸向方向均勻錐緊，以免空心組合木柱沿外圓方向變形.