结构指接材破坏特性分析
作者：杨亮庆，周亚菲，张倩等
来源：《林业科技》 2015年第5期
杨亮庆周亚菲张倩刘珊衫
（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨150081）
摘要：指接点是决定指接材承载性能的关键所在，本文以结构指接材、胶合质量不合格结构指接材和对照材三类试件为对象，研究了其在破坏形貌上的差异，对指接材和对照材的弯曲载荷曲线进行了研究分析。结果表明，指接对木材的破坏特性影响显著，将其影响机理归结为指接部位胶层厚度的增大和应力集中两个方面。
关键词：结构指接材；破坏特性；应力集中；胶层厚度
中图分类号：S781.23,TS653.4文献标识码：A
结构指接材是通过指接的方式，实现木材应用于建筑结构领域的一种工程木质复合材料，是现代木结构
尤其是大跨度木结构领域中常见的必要结构构件或构件基本单元材料。由于指接点的出现，破坏了木材原有的连续性结构，并影响了木材各向异性的基本材料特性，对木构件的承载能力产生显著影响[1]。针对指接点对木材承载性能产生的影响，国内外学者开展了一系列相关研究。研究主要集中在指接工艺和参数的优化[2-5]、指接用胶黏剂[6-8]以及相关机理[9]等方面，而从指接材破坏特征入手开展研究和分析内在机理的相对较少。破坏特性包括结构指接材的破坏形貌、载荷曲线特征、变化规律等。本研究首先选择木材、胶合质量合格结构指接材和胶合质量不合格结构指接材3类试件，对其破坏形貌进行了对照分析，如破坏的特征、部位、规律性等；之后从弯曲载荷和破坏挠度入手,分析了指接点对木材抗弯承载能力的影响，并对影响机理进行了分析。
1材料与方法
1.1试验材料与设备
试材所用树种为大兴安岭樟子松（lica），刨光材尺寸规格为4000mm×120mm×40mm，平均含水率10.4%；指接材加工委托大兴安岭漠河宜家木业有限公司生产。胶黏剂为PUR木材层压胶，PurbondHBS709，Henkel公司生产。
试验设备：10T万能力学试验机。
1.2结构指接材制备方法
木材做为非均质材料，材性差异大，为最大限度降低材性差异的影响，制备对照材和指接材所用锯材从同一刨光材上制取，如图1中（1）所示，“A”部分用作制备对照试件，“B”部分用作制备指接材。指接材在制备时要对“B”部分进行标记，指接材的两个单元分别标记为“a”和“b”，如图1中（2）所示，避免铣齿指接过程中出现错位的情况，保持纹理和材性的一致性。根据方案设计，分别制备“H”指接材和“V”形指接材，厚度分别为2、2.5、3、3.5、4cm，试件宽度为3.8cm。尺寸规格参照LY/T2228-2013“轻型木结构-结构用指接规格材”进行设定。
2结果与分析
2.1结构指接材破坏特征分析
对照试件被破坏，首先从跨距中央附近位置的弯曲凸面上、存在裂隙或节子等处部位破坏，此处应力集中，承载能力较为脆弱（图2为指接材与对照材的破坏形貌光学图片，其中A为“V”形指接材破坏形貌，B为“H”形指接材破坏形貌，C为对照试件破坏形貌，D为胶合质量不合格结构指接材的破坏形貌）。由图2可知，破坏形貌无明显规律性，断裂幅面较大，断裂部位难以预测。而指接结构的出现完全改变了木材的破坏形貌，胶合质量合格试件的破坏均主要发生在指齿的齿根部位，其他部位出现断裂的情况相对较少，断裂部位具有明显的规律性和可预判性；胶合质量不合格指接材的破坏亦发生在指接部位，所不同的是在承受弯曲载荷时，指齿从齿槽根部结合部位拔出，几乎未发生断裂破坏或仅有小面积的断裂破坏，这无疑会降低指接部位的承载能力。
2.2指接对木材弯曲载荷曲线的影响
木材弯曲承载过程中，最先产生破坏的重要部位为跨距中央弯曲凸面位置，该部位的材性状况决定了其整体的承载能力和破坏过程。该破坏过程可大致划分为两个阶段，即弹性变形阶段和粘弹性变形阶段（图3，其中“A”阶段表示木材的弹性变形阶段，“B”阶段表示木材的粘弹性变形阶段）。在“A”阶段，弯曲载荷与挠度呈正相关性，弯曲载荷随着挠度增大呈正比例增大；进入“B”阶段后，弯曲载荷与挠度关系呈非线性变化趋势，弯曲载荷随着挠度增大呈逐步下降趋势。而指接点的出现则改变了木材的弯曲破坏轨迹（图3）。指接材的“弯曲载荷-挠度”关系曲线几乎呈线性变化直至最大载荷而后产生断裂，仅具有弹性变形阶段，整个破坏过程载荷曲线相当于对照试件的“A”阶段，最大载荷出现在“A”、“B”阶段的过渡区域。这表明指接对木材的弯曲破坏过程产生显著影响。
2.3指接对木材承载性能影响机理分析
由图3对照试件“A”阶段和指接材载荷曲线可知，两者的载荷曲线并未重合，后者略低于前者，在最高点低8%左右。这一差异的出现受木材材性差异因素影响较小，因为试件制备时尽量选择的是相邻或同一块板材。究其原因，可能与指接点部位构造引起承载力下降有关。指接影响木材承载能力的机理可从以下两个方面分析：
一是指接点指顶与指谷部位（图4中“A”部位）的胶层厚度要明显低于指顶与指谷之外的部位（图4中“
B”部位），这与指接胶合压力、指齿加工精度以及指端加压压力的确定等有关[3]，为保证指接点的结构不受破坏，针叶材的指接压力为0.2～0.3MPa，远低于集成材的压力（0.8～1.0MPa），加上指型加工时的精度共同影响，造成指顶与指谷结合部位的胶层厚度过大。研究表明[10]，当胶层厚度在15～20mm左右时胶合效果最好，之后随着胶层厚度增加胶合效果下降。因此，齿尖部位成为薄弱环节，从而引起指接材的载荷曲线略低于对照木材。
二是指接点的出现改变了木材原有的连续性结构，类同于断裂力学中“细小裂纹的出现破坏了物体的连续性从而引起应力集中”问题，指接点胶层与木材的弹性应变状态间存在的差异势必引起应力集中问题的出现。通常情况下，弯曲凸面的木材纤维会产生拉伸、滑移等细微变化，以抵消承载力的增加，而胶层的出现则使得这一能力下降甚至消除，指接部位与木材其他部位变形不一致，最终导致指接材在低于木材破坏载荷前发生断裂。
3结论
3.1指接方式的应用，显著改变了木材的破坏形貌，指接材的破弯曲破坏主要集中在齿根部位，指接破坏部位具有显著的可预测性和规律性；胶合质量不合格指接材破坏时指齿破坏程度较小，指接材的承载能力也相对较小。
3.2指接材的弯曲载荷与挠度呈线性相关性，载荷曲线仅具有弹性变形阶段，改变了木材特有的弹性变形和粘弹性变形两个阶段的变形特性，究其原因，可归结为直接部位指顶与指谷间胶层厚度的增大和木材纤维连续性中断引起的应力集中。
参考文献
［1］MatthewV，TerryS．Theeffectofspecies，adhesivetype，and
curetemperatureonthestrengthanddurabilityofastructural
finger-joint［J］．ForestProdJ，2004，54（3）:66-75．
［2］何盛,林兰英,傅峰,等.樟子松指接材抗弯强度有限元模拟分析［J］.林业科学,2012（11）:63-68.
［3］林兰英，傅峰.短榫指接端压和嵌合度参数分析［J］.北京林业大学学报，2008，30（2）:138-142．
［4］何盛,林兰英,傅峰,等.指接材端压有限元的模拟分析［J］.
南京林业大学学报（自然科学版）,2014（2）:16-20.
变形计刘珊 ［5］何林,王萃,崔鹏飞,等.指接材接头位置、数量与抗弯强度的关系［J］.林业科技,1996,21（2）：65,68.
［6］田海江,任力恒,韩立超.指接材专用粘合剂的研制与开发［J］.
林业科技,2001,26（2）:35-39.
［7］陈加山,王中来.指接材双组分胶粘剂的研制［J］.中国胶粘剂,
2006（8）:24-27.
［8］李琳,何林,张紫微,等.脲醛树脂胶指接材强度性能［J］.
林业科技,1995,20（2）:51-52.
［9］郭莹洁,赵荣军,钟永,等.兴安落叶松成熟材指接材抗拉破坏载荷力学模型［J］.南京林业大学学报（自然科学版）,
2014（5）:20-24.
［10］郑瑞琪.胶层厚度对胶接性能的影响［J］.粘结，1990，11
（4）：33-35.
第1作者简介：杨亮庆（1981-），男，博士，副研究员，研究方向：木材干燥及改性。
收稿日期：2015-04-21
（责任编辑：潘启英）
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