木结构材料性能检测研究

木结构工程材料

1、木结构工程材料简介

与普通的非结构用板材相比，木结构工程材料力学性能较高、板材层数较多、厚度较大，最重要的是木结构工程材料具有强度设计值，广泛应用于建筑、桥梁、道路、运输等领域。随着建筑、桥梁、道路、运输等领域的蓬勃发展，对优质木结构工程材料的需求量日益增加，具有巨大的市场潜力，因此，急需开发高性能、低成本、环保的木结构工程材料，包括物理力学性能好、握钉力强、结构性能和尺寸稳定性好、耐老化及耐化学腐蚀的结构板材。

2、木结构工程材料的主要力学性能

木结构工程材料必须具有一定的承载能力。除了要求具有良好的外观性能、物理性能、表面性能、耐久性（老化性能）、加工性能以外，对于木结构大尺寸构件的弹性模量、静曲强度、内结合强度、胶合强度、抗压强度、抗拉强度、握螺钉力和冲击韧性等力学性能指标提出了更高的要求。因此，必须对其进行机械分等、均布载荷、集中静载和冲击载荷等力学性能测试。

主要力学性能检测方法及相关标准

1、国外木结构工程材料检测方法

木结构工程材料力学性能检测装备现状□国家林业局北京林业机械研究所张伟金征杨建华□中国林科院林业新技术研究所张伟金征由于木结构工程材料具有优越的力学性能，其应用越来越广泛。本文概况介绍了木结构工程材料的主要力学性能及其国内外相关检测装备，同时重点介绍了国家林业局北京林业机械研究所研发的相关检测设备。在国外，木结构工程材料是主要的建筑材料和结构材料之一。在木结构工程材料物理力学性能检测技术研究方面，主要开展了弹性模量和缺陷无损检测技术研究等。弹性模量的无损检测方法主要有机械分等法、振动法、超声波法、应力波法等，其中机械分等法、振动法应用广泛。随着计算机技术的迅速发展，力学性能检测朝着高速化、智能化方向发展。

2、国外木结构工程材料相关标准

国外木结构工程材料相关标准有：美国工程木协会（APA）发布了关于建筑覆面板材料的APAPS1-95《建筑和工业用胶合板》、APAPS2-2004《木基结构材料试验方法》、APAPRP108《建筑板材性能标准和资格政策》等，加拿大发布了国家标准CAN/CSA-0325.0-92《建筑结构覆板标准》、CAN/CSA-0325.1-92《建筑结构覆板性能试验方法》，美国材料与试验协会标准(ASTM)发布了ASTME72-1995《建筑用面板传导强度的试验方法》、ASTMD2718-2000《结构板平面剪切(滚剪)试验方法》、ASTMD3500-90(2003)《结构板抗拉结构的试验方法》、ASTMD3499-94(2005)《木质结构板抗冲击韧性的试验方法》、ASTMD3043-00(2006)《检验结构板弯曲情况的标准方法》、ASTMD3044-94(2006)《检验木质结构板剪切模数的试验方法》、ASTMD2719-89(2007)《结构板纵向剪切的试验方法》、以及ASTMD3501-05a《木质结构板的压缩试验方法》等。

3、国内木结构工程材料检测方法

在国内，随着木结构工程材料市场需求量的逐渐增加，相关产品及其检测技术研究开始起步。主要开展了弹性模量、蠕变性能、握钉力、冲击荷载性能、均布荷载性能及尺寸稳定性等测试，大多采用实验室试验机常规力学性能测试法。应力波与超声波法虽已应用于弹性模量测试及其在线检测方面，但研究成果较少。

4、国内木结构工程材料检测相关标准

目前已发布木结构工程材料相关的国家及行业标准有：GB/T19536-2004《集装箱底板用胶合板》、GB/T21128-2007《结构用竹木复合板》、GB/T22349-2008《木结构覆板用胶合板》、GB/T17656-2008《混凝土模板用胶合板》、GB/T50329-2002《木结构试验方法标准》、LY/T1927-2010《集成材理化性试验方法》。

木结构工程材料主要检测装备

木结构工程材料克服了木材自身的缺点，比如因组织构造和干缩湿涨导致的力学性能各向异性、天然缺陷和幅面尺寸限制等，具有强重比大、尺寸稳定性高的特点，所以在使用过程中逐渐成为了木材与人造板的一个重要分支品系。随着进一步深化对各种用途的锯材与板材产品木材原料的优材优用、适材适用，锯材与板材产品质量的可控性引起了广泛关注，尤其是作为木质工程材料时，木结构工程材料的强度设计是必不可少的一环。产品的质量控制水平的关键在于实验室和工厂化在线检测技术的水平和评价体系是否完善，因此，开发木结构工程材料性能检测装备成为了首要任务。目前国内外已开发了多种检测设备，能够对木结构工程材料进行力学性质的检测。

1、通用力学性能检测设备

这部分主要是介绍一些可以普遍使用，或是可以针对多种木结构件进行性能检测实验的设备，主要有万能力学试验机、静曲强度测试设备、蠕变和挠度测试设备、弹性模量检测设备等。

（1）万能力学试验机

万能力学试验机主要包括控制系统、驱动单元、伺服电机、齿轮、皮带、横梁系统、功能附件及反馈装置等。控制系统发出给定信号，通过功率放大器驱动电机，电机转动带动齿轮和皮带运行，使横梁开始移动，反馈装置将横梁的位移信号反馈给控制系统，再与控制系统中的给定信号比较，形成闭环控制系统。通过配置不同功能附件来实现标准规格尺寸结构胶合板试件的拉伸强度、抗弯强度、剪切强度等力学指标的测试。

（2）静曲强度测试设备

静曲强度测试设备主要由支撑、压头、传动机构、数据采集系统、计算机控制系统等组成。实验时，装载一个试件到两个支撑上，在控制台输入所需参数（长，宽和时间），然后启动测试程序。实验压头从原始位置迅速移动，直到接近开关检测到试件后降至一个恒定的速度对试件进行加载。通过测量载荷和相应的形变，得到的载荷-挠度曲线，通过斜率可以计算出刚度和弹性模量，并显示于控制台。

（3）蠕变和挠度测试设备

蠕变和挠度测试设备主要由支撑、施压装置、传动机构、数据采集系统等组成。在恒定外力作用下,木材应变随时间而增加称为蠕变。挠度是指梁、桁架等受弯构件在荷载作用下的的竖向变形。在考虑某种木质材料是否适用于结构工程时，其蠕变特性是一个重要因子。木材蠕变受温度、含水率、加载方式、应力水平、树种和材质变异等因素影响。挠度与荷载大小、构件截面尺寸以及构件的材料物理性能有关。

（4）弹性模量检测设备

弹性模量的检测设备按照检测原理来分，主要有三种：第一，基于振动法的弹性检测设备，主要由力锤（头部装有力传感器）、加速度传感器、电荷放大器、四通道多功能分析仪等组成。试样一端固定，一端自由。由悬臂梁的前5阶振型函数图线可知，自由端不是节点，可把加速度传感器用石蜡固定在自由端处。用力锤敲击试样（敲击处靠近固定端），力锤上的力传感器及加速度传感器产生的信号通过电荷放大器进入四通道多功能分析仪，对其进行频响函数分析和模态分析，得到试样固有频率。根据检测到的频率信息来计算试件的强度。第二，基于超声波的弹性模量检测设备，主要组成是声发射器、声接收器和超声波测试仪。超声波产生声脉冲进入被检测材料中，经过穿透、反射、衰减，被另一端的传感器收集，通过提取不同信号参数并进行处理，进行材料性质预测。不同的超声波参数（传播时间、传播速度、能量峰值、频率）可用来检测板材的弹性模量、表面缺陷、结构材腐朽程度等。第三，基于应力波的弹性模量检测设备，主要由小锤、加速度传感器、应力波测试仪、计算机软件等组成。该设备通过测量应力波在试件中的传输速度，结合试件的密度，来计算试件的弹性模量。

2、专用力学性能检测设备

这部分主要是介绍一些针对一种或几种木结构构件进行力学性能检测的设备，主要有立式弯曲试验机、剪力墙测试设备、冲击载荷测试设备、疲劳强度测试设备、结构胶合板力学性能试验机、结构锯材机械应力分等试验机、木结构桁架齿拔量测试仪等。

（1）立式弯曲试验机

立式弯曲试验机由两组加载框架、传动机构、液压装置、力矩和位移传感器以及数据采集系统组成，其中加载框架由主动立柱和从动立柱构成，通过两组加载框架分别在板材两端相对应的边部施加载荷。开始工作前，按照标准要求的测试间距，主动立柱移至相应位置，且保证两立柱之间的距离和平行度。测试开始后，加载框架以其主动立柱为轴心作圆弧运动来弯曲板材，两端提供大小相等且反向的弯曲力矩，变形量测量精度达到0.02mm。主要用于大尺寸结构板材或截取板条的弯曲特性试验。

（2）剪力墙测试设备

剪力墙测试设备主要由固定框架、传动机构、液压装置、力矩和位移传感器以及数据采集系统组成。根据建筑墙体受力特点，主要测试结构锯材与板材墙体抵抗水平风载和地震荷载作用的能力。剪力墙测试设备主要针对高度为2.4m或以上的墙体，通过测试与分析不同构造参数，如墙板安装的连接方式、连接件规格及性能参数、连接件中心间距等，研究剪力墙承载能力和刚度及其影响因素。

（3）冲击载荷测试设备

冲击载荷测试设备主要由冲击锤、支撑横梁、边缘延长支撑、传动机构、液压装置、数据采集系统、控制器等部分组成，通过电脑控制系统完成测试工作，完全实现自动化测试。当板材放置在支撑横梁上并固定后，由计算机控制冲击锤自由落下，记录碰撞时刻的板材的受力和位移等信息。美国的Teco公司研发的QL-2型板材冲击载荷测试机，可进行集中载荷和挠度、极限载荷、冲击载荷测试，可测试件厚度为1/4～9/8inch，幅面为16inch、20inch、24inch、32inch、40inch和48inch。

（4）疲劳强度测试设备

目前国内疲劳强度测试设备主要是用于集装箱底板测试，该设备主要由荷载小车、固定框架、传动机构、控制系统等组成。按照国家标准物理力学性能指标要求，集装箱用木底板通常进行滚压剪切强度检验，即采用在满荷载下往复行进的动荷载的冲压下进行7260kg荷载小车实验。执行抽检程序，检验其瞬间疲劳强度冲击下底板的最大变形和永久变形。借此不仅可对底板的静曲强度、弹性模量、胶合强度、含水率、密度等各项指标做出全面的检测和分析，而且通过7260kg小车承载大型试验模拟实际受力情况，更能真实地反映出底板的整体性能及其稳定程度。

（5）结构胶合板力学性能试验机

国家林业局北京林业机械研究所（以下简称北京林机所）研发的结构胶合板力学试验机。该设备集均布载荷测试、集中载荷测试、冲击载荷测试于一体，功能强大，结构紧凑，操作简便、实用性和通用性较强。集中载荷和冲击载荷模拟屋面板、墙面板或楼面板实际受力情况，将板材试件平置在3根等距的支承构件上，形成双跨连续板，根据板材两端边缘的支承情况分为3种受力态，施加载荷于最不利位置，检测板材的挠度和极限载荷。按照实际工况，该设备能够完成1220mm×1220mm大尺寸板材标准跨距300mm、400mm、500mm和600mm的测试；集三种加载方式的测试工作于一体，提高了人造板检测效率和便利性；固定块可以满足45mm×90mm、40mm×90mm以及更小木方截面尺寸的固定，调整方便；加载盘通过关节球轴承与连接轴相连，加载盘可以在一定的角度范围内摆动，实现平稳均匀加载；整个试验过程实现自动化，并有手动或自动试验方式以供选择；整个设备采用了模块化和标准化设计，可实现高精度、高稳定性测试。

（6）结构锯材机械分等试验机

北京林机所研发的结构锯材机械分等试验机是将被测的结构锯材通过一个检测通道，在该检测通道中使得结构锯材在不破坏的情况下，形成恒定的弹性变形，测得相应的施加载荷，再将所测得的数据通过测力传感器传输到计算机系统，算出该结构锯材的抗弯弹性模量的数据，将该数据与设定的数据分级组进行比对，对被测结构锯材做出强度分级，并将该分级结果输出。该设备不仅结合木材树种、几何尺寸、含水率、纹理斜度等因素，还要综合考虑木材的加载方式、运动速度、作用力、位移量等控制参数，以及设备振动、环境温湿度等因素的影响，通过建立结构木材的强度与抗弯弹性模量的对应关系，实现结构木材质量控制和快速分等。

（7）木结构桁架齿拔量测试仪

北京林机所研发的木结构桁架齿拔量测试仪主要用于监测循环载荷作用下齿板变形量。该设备由温湿度传感器、高精度LVDT位移传感器、数据采集模块、RS485/RS232串口转换模块及工业控制计算机等组成。该测试系统可监测齿板连接处发生微小变形量，通过垂直安装在同一连接齿板的3个不同位置的三路高精度LVDT位移传感器来长期监测齿板的齿拔量。数据采集模块具有16位A/D转换分辨率，8路差分输入，提供RS-485接口与上位机连接，且带有高过压保护，避免因现场和通道间干扰对数据采集的影响。测试系统可实时监测循环载荷作用下温湿度等对齿拔量影响情况，软件采用图形化开发平台可对采集数据进行处理和可视化分析，预测齿板的齿拔量变化趋势，研究实际工况下循环载荷对齿板连接性能的影响。

结语

随着建筑、桥梁、房屋、道路、运输等领域的蓬勃发展，木结构工程材料的市场存在着巨大潜力，对优质木结构工程材料的需求量日趋增加。因对产品质量控制水平要求的进一步提升，以及对产品采用无损检测方式的追求，近年来，研究者开发了上述木结构工程材料力学性能检测设备，实现了对木结构力学性能的精确检测与分析，对木结构建筑有着非常重要的分析价值和指导意义。但是总体而言，足尺结构板产品检测技术和装备有待提高。综述，今后针对不同用途、不同材料和性能要求的木结构工程材料，要加强重视和投入力度，重点研发出适合于我国木结构工程材料大型生产企业和科研单位所需的检测装备，为我国木结构工程材料的研制提供必要的检测手段，并促进其在各领域的应用与发展。