桉木板式板式單積材抗壓強度預(yù)測模型

桉木板式板式單積材抗壓強度預(yù)測模型

單層板也稱為千鳥板膠合木，由2.5.4.5mm厚底板和多層平行涂膠而成，然后加熱和卷曲。當(dāng)用作大型公共建筑和體育場地的梁、柱和其他承載件件時，由于單帶的斜紋和木節(jié)等缺陷，影響的壓力非常復(fù)雜。因此，建立單層板的強度預(yù)測模型是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的關(guān)鍵。為了探究木材的強度預(yù)測模型,Hill于1948年將各向同性材料常用的Mises屈服準(zhǔn)則推廣到各向異性材料木材,但未考慮到木材拉、壓強度的不同.Tsai和Wu于1971年提出了Tsai-Wu強度準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則可預(yù)測木材破壞的應(yīng)力狀態(tài),但不能判別對應(yīng)的破壞模式.Yamada和Sun于1978年提出了Yamada-Sun準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則依據(jù)多個應(yīng)力分量的組合來預(yù)測木材破壞時的強度臨界值.但上述研究主要針對的是實木鋸材,關(guān)于單板層積材的強度模型研究較少.本文以桉木制單板層積材為試驗原材料,以不同紋理角度、不同膠層角度的抗壓試驗結(jié)果為基礎(chǔ),建立了一種抗壓強度指數(shù)模型,然后通過卡方(χ2)檢驗來驗證該指數(shù)模型和常用Hankinson公式、Norris公式和GB50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》公式對抗壓強度的預(yù)測效果,以期為單板層積材在建筑木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供理論依據(jù).1測試1.1材料質(zhì)量、膠黏劑的確定試驗原材料采用深圳普蘭太森新材料科技有限公司制造的桉木制單板層積材,其尺寸為100mm(寬度)×150mm(厚度)×2800mm(長度),密度為0.67g/cm3,含水率約為13.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).單板厚約3mm,膠黏劑為酚醛樹脂膠.1.2兩組試件的尺寸、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)差將試驗原材料加工成不同紋理角度、不同膠層角度的抗壓試件(見圖1),角度θ均從0°至90°,每隔10°取1組,每組隨機選取18個試件,共19組(紋理角度、膠層角度為0°的為同一測試組試件)342個試件.試件尺寸均為20mm(寬度)×20mm(厚度)×30mm(高度).試件L-X面的剪切強度平均值為9.37MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為2.40MPa;試件L-Y面的剪切強度平均值為8.20MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為1.26MPa.將所有不同紋理角度、不同膠層角度(θ=0°,10°,…,90°)試件養(yǎng)護至平衡含水率12.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),然后參照GB1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》進行抗壓試驗.采用萬能力學(xué)試驗機(Instron5582)施加荷載,加載速度為1mm/min.當(dāng)試樣出現(xiàn)明顯破壞或荷載出現(xiàn)明顯下降后停止加載.1.3及抗壓強度方差齊性檢驗假定不同紋理角度、不同膠層角度測試組的抗壓強度和彈性模量均符合正態(tài)分布.采用Levene方法檢驗各測試組抗壓強度和彈性模量均值的方差齊性,并通過單因素方差分析檢驗各測試組間的抗壓強度均值或彈性模量均值是否存在顯著差異.采用卡方(χ2)檢驗來驗證各抗壓強度預(yù)測模型的擬合度.本文中的顯著性水平a均設(shè)置為0.05.2試驗結(jié)果與分析2.1典型破壞模式當(dāng)加載至一定程度,單板層積材試件的抗壓承載力已大幅度下降或位移變形過大,導(dǎo)致不能承載,試件抗壓至最后均被壓潰.因此,對于抗壓強度、彈性模量及其破壞模式,均以初始破壞作為分析基準(zhǔn).不同紋理角度抗壓試件(L-X面)的典型破壞模式見圖2;不同膠層角度抗壓試件(L-Y面)的典型破壞模式見圖3.由圖2(a)~(c)可見,不同紋理角度抗壓試件加載至抗壓強度后,若θ為0°~10°,則出現(xiàn)纖維褶皺破壞;若θ為20°~40°,則發(fā)生剪切破壞;若θ為50°~90°,則發(fā)生壓潰破壞.由圖3(a)~(c)可見,不同膠層角度抗壓試件加載至抗壓強度后,若θ為0°~10°,則出現(xiàn)纖維褶皺破壞;若θ為20°~50°,則發(fā)生剪切破壞;若θ為60°~90°,則發(fā)生壓潰破壞.2.2荷載-位移曲線圖4,5分別為不同紋理角度、不同膠層角度測試組抗壓試件的荷載-位移曲線,每組包含18個抗壓試件.紋理角度、膠層角度為0°的測試組為同一測試組.由圖4,5可知:(1)加載初期,各測試組抗壓試件的荷載-位移曲線均表現(xiàn)為線性.(2)對于不同紋理角度抗壓試件,當(dāng)θ為0°~10°時,曲線屈服階段不明顯,當(dāng)加載至抗壓強度后,荷載出現(xiàn)明顯下降,這主要由于纖維發(fā)生褶皺破壞所致;當(dāng)θ為20°~40°時,曲線屈服階段逐漸增強,加載至抗壓強度后,因纖維間出現(xiàn)剪切滑移導(dǎo)致荷載明顯下降,但隨著位移繼續(xù)增加,滑移界面處的纖維與加載底面接觸,此時纖維間不再滑移,而是出現(xiàn)端部局部受壓破壞,因此,荷載基本保持不變,可能還會出現(xiàn)小幅度的增長;當(dāng)θ為50°~90°時,試件主要為橫紋抗壓,屈服階段較明顯,當(dāng)達到最大荷載后,隨著位移繼續(xù)增加,纖維被壓密實,但由于部分纖維壓潰不能繼續(xù)承載,荷載仍基本保持不變.(3)對于不同膠層角度抗壓試件,當(dāng)θ為0°~40°時,其荷載-位移曲線形式與不同紋理角度抗壓試件相似;當(dāng)θ為50°~90°,其受力仍主要為橫紋受壓,屈服階段明顯,隨著位移繼續(xù)增加,纖維被壓密實且部分纖維由于壓潰不能繼續(xù)承載,荷載仍保持上升,但增長緩慢.2.3抗壓強度和彈性模量表1為各測試組抗壓性能測試結(jié)果.由表1可知,隨著紋理角度和膠層角度的增加,測試組抗壓強度均值與彈性模量均值減小.紋理角度為0°時的抗壓強度均值、彈性模量均值分別約為紋理角度為90°時的5.0倍和11.9倍;膠層角度為0°時的抗壓強度均值、彈性模量均值分別約為膠層角度為90°時的8.5倍和15.4倍,即不同紋理角度測試組抗壓性能下降程度要小于不同膠層角度測試組.不同紋理角度測試組抗壓試件為L-X面受壓,類似于實木鋸材的弦向抗壓,而不同膠層角度測試組抗壓試件為L-Y面受壓,類似于實木鋸材的徑向抗壓.由于實木鋸材的弦向抗壓強度高于徑向抗壓強度,因此不同紋理角度測試組抗壓性能下降程度要小于不同膠層角度測試組.Levene方法檢驗表明,不同紋理角度、不同膠層角度測試組的抗壓強度、彈性模量均值均不滿足方差齊性,其檢驗得到的相伴概率P均小于顯著性水平a.因此,采用近似檢驗方法(TamhnnesT2)對抗壓強度和彈性模量平均值進行單因素方差分析多重比較.結(jié)果表明:對不同紋理角度測試組的抗壓強度均值而言,除θ=30°與θ=40°,θ=50°與θ=60°這2對測試組之間的相伴概率值大于顯著性水平a,即這2對測試組間的抗壓強度均值不存在顯著性差異,其余兩兩測試組之間的相伴概率值均小于顯著性水平a;對不同紋理角度測試組的彈性模量均值而言,除θ=80°與θ=90°這1對測試組之間的相伴概率值大于顯著性水平a,即這對測試組間的彈性模量均值不存在顯著性差異,其余兩兩測試組的相伴概率值均小于顯著性水平a.對不同膠層角度測試組的抗壓強度均值而言,除θ=40°與θ=60°,θ=50°與θ=60°,θ=70°與θ=80°,θ=80°與θ=90°這4對測試組之間的相伴概率值大于顯著性水平a,即這4對測試組間的抗壓強度均值不存在顯著性差異,其余兩兩測試組之間的相伴概率值均小于顯著性水平a;對不同膠層角度測試組的彈性模量均值而言,除θ=70°與θ=90°這1對測試組之間的相伴概率值大于顯著性水平a,即這對測試組間的彈性模量均值不存在顯著性差異,其余兩兩測試組之間的相伴概率值均小于顯著性水平a.導(dǎo)致以上個別測試組間抗壓強度或彈性模量均值不存在顯著性差異的可能原因,除了角度的影響外,桉木制單板層積材用單板可能包含的木節(jié)、孔洞和裂紋等缺陷,以及膠層壓力等制造工藝,均會影響其抗壓性能.3抗壓強度模型3.1模型擬合結(jié)果不同紋理角度、不同膠層角度的每一測試組均包含18個試件.從每一測試組中隨機選取12個用于建立抗壓強度模型,剩余的6個則用于校驗?zāi)Ｐ偷目煽啃?由表1可知,隨角度(紋理角度或膠層角度)的增加,試件抗壓強度初始遞減較快,角度繼續(xù)增大,試件抗壓強度降幅逐漸趨于平緩.因此,本文采用指數(shù)模型對不同角度的抗壓強度與順紋抗壓強度平均值的比值fθ/f0進行擬合,如下:式中:A,B,C均為擬合參數(shù).將指數(shù)模型的擬合結(jié)果與GB50005—2003規(guī)范公式、Hankinson公式和Norris公式擬合結(jié)果進行比較,結(jié)果見圖6.由圖6可知,指數(shù)模型、Hankinson公式和Norris公式均能較好地擬合抗壓強度實測值,而GB50005—2003規(guī)范公式對抗壓強度的擬合值卻明顯偏高,這與文獻結(jié)果相同.通過指數(shù)模型擬合不同紋理角度試件抗壓強度計算公式,結(jié)果為:,R2為0.966,F值為4.587;通過指數(shù)模型擬合不同膠層角度試件抗壓強度計算公式,結(jié)果為:,R2為0.972,F值為3.349.根據(jù)F分布表,相伴概率值為0.05時,F臨界值為2.68.當(dāng)F值大于2.68時,則相伴概率值小于顯著性水平a,這表明指數(shù)模型的預(yù)測值與實測值較吻合.3.2模型擬合度檢驗采用卡方(χ2)檢驗來驗證各抗壓強度模型的擬合度,其計算公式如下:式中:fi為每一測試組剩余6個試件的抗壓強度實測值;fi,p為每一測試組中12個試件建立的強度模型對抗壓強度的預(yù)測值.根據(jù)χ2統(tǒng)計分布表,當(dāng)數(shù)據(jù)點n=60,自由度為59,相伴概率為0.05時臨界χ2值約為79.當(dāng)χ2值小于79時,即相伴概率P小于顯著性水平a,表示抗壓強度模型能夠較好地擬合抗壓強度實測值.表2為卡方(χ2)檢驗結(jié)果.從表2結(jié)果可知,對于不同紋理角度和不同膠層角度的抗壓試件,采用指數(shù)模型、Hankinson公式和Norris公式得到的χ2值均小于79,即擬合度較好.對于不同紋理角度的抗壓強度,采用指數(shù)模型擬合的結(jié)果最佳,χ2值為12.33;對于不同膠層角度的抗壓強度,采用指數(shù)模型擬合的結(jié)果較好,χ2值為16.58.但GB50005—2003規(guī)范公式對不同紋理角度和不同膠層角度試件抗壓強度的擬合結(jié)果均較差,χ2值均大于79,這主要是由于GB50005—2003規(guī)范公式中θ=10°試件抗壓強度取值與θ=0°試件抗壓強度相等,但θ=10°測試組的抗壓強度均值實際上顯著小于θ=0°測試組的抗壓強度值均值,因此采用GB50005—2003規(guī)范公式擬合得到的抗壓強度明顯高于實測值.4不同紋理角度試件