CN108748456B - 具有隐式增强条带的木基结构板材及其制备方法和组合墙体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有隐式增强条带的木基结构板材及其制备方法和组合墙体，属于木基胶合板剪力墙领域。具有隐式增强条带的木基结构板材，包括高密区和低密区，高密区设置在低密区的两侧。木基结构板材的制备方法，涂胶组坯时，在每两层单板之间两端夹设有短板，使得压制成型后木基胶合板两端形成高密区，未夹设短板的组坯形成低密区。组合墙体，将上述方法制得的木基胶合板的高密区和墙骨柱进行钉连接，且钉连接同时涂胶。本发明根据木基胶合板材力学性能与密度的关系，采用局部增强面板密度的方式，提高了木基胶合板受力较大部位的力学性能，充分发挥板材性能，提高木骨架组合墙体整体抗侧性能。

Description

具有隐式增强条带的木基结构板材及其制备方法和组合墙体
技术领域
本发明属于木基胶合板剪力墙领域，具体地说，涉及具有隐式增强条带的木基结构板材及其制备方法和组合墙体。
背景技术
在含有木基胶合板剪力墙的建筑中，该剪力墙由木基胶合板和规格材通过钉连接组成，并主要承担由地震作用或风荷载产生的水平力。当所承受的水平剪力较大时，常规的木基胶合板剪力墙的覆面板沿拼接处易产生错动和变形，并出现钉剪断、拔出等连接处的破坏现象，导致覆面板与墙骨柱分离，墙体结构失效从而失去承载能力。因此，常规木基胶合板剪力墙需要进一步提高抗侧力、延展性和刚度，其中，覆面板的抗剪能力起到了决定性作用。
在整个墙体受到侧向水平荷载的过程中，与框架和墙骨柱钉接的覆面板，在为墙骨柱提供侧向支撑的同时，又受到墙骨柱的约束与其共同工作，覆面板处在平面剪切应力状态。随着墙骨柱的倾斜，连接墙骨柱和覆面板的钉子周围的木纤维对面板钉的约束减弱，边角处钉节点发生剪切滑移。随着水平荷载逐渐增大，覆面板周边面板钉承受的剪力逐渐增大，钉子的剪切滑移也逐渐增大，每块覆面板绕各自的中心轴发生转动，但是，处于面板中心处的应力远小于边角处的应力，当边缘处面板发生破坏时，中心处的面板几乎没有任何损坏、其强度未能充分发挥。因此，常规木基胶合板剪力墙通过改善结构构造等方式增加墙体强度，但是忽略了对覆面板板材更深一步的研究利用。
胶合板作为结构用覆面板种类之一，其密度及单板纹理组坯配置对弹性模量和静曲强度均有显著影响。当胶合板厚度一定时，随着板坯厚度的增加，木材压缩率增加，木材密度提高，力学性能显著增加。根据该原理，针对水平作用下木剪力墙中常规覆面板破坏时，其边角部因受力集中易破损、钉子易拔出或过早屈服等应力不均匀分布等情况，根据胶合板密度与强度关系，采用局部提高密度的方式，提高板材边角等易受损部位的力学性能，充分发挥板材性能，提高木基胶合板剪力墙的整体抗侧性能。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有木基胶合板剪力墙在水平荷载作用下受力不均导致木基胶合板先一步破坏的问题，本发明提供具有隐式增强条带的木基结构板材及其制备方法和组合墙体。本发明结合木基板材强度与密度的正相关关系，从材料层面考虑，通过提高局部面板密度，提高板材边角易受损部位的力学性能，实现对板材力学性能的充分利用，进一步提高木基胶合板剪力墙整体抗侧强度，以保证结构的整体强度。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
具有隐式增强条带的木基结构板材，所述的木基结构板材为木基胶合板，在木基胶合板厚度的水平方向上包括高密区和低密区，所述的高密区设置在所述的低密区的两侧，所述高密区的密度高于低密区。
优选地，所述的高密区的密度为所述低密区的1.1～1.7倍，木基胶合板高密区内与厚度相垂直的水平方向上的两层单板之间两端夹设有短板。
优选地，所述短板总厚度从高密区和低密区依次减少，或者短板在垂直单板的方向上呈正态分布排列。
木基结构板材的制备方法，涂胶组坯时，在每两层单板之间两端夹设有短板，使得压制成型后木基胶合板两端形成高密区，未夹设短板的组坯形成低密区；涂胶组坯时，所述短板采用横纹承压方式铺设。
优选地，所述的高密区宽度为整个组坯宽度的1/8～1/6。
优选地，所述的高密区的密度从低密区两侧向外依次增加。
优选地，所述的短板在垂直单板的方向上呈正态分布排列。
优选地，将涂胶组坯继续进行预压、热压、裁边和砂光处理得到木基胶合板。
优选地，在预压和热压工序中，所述高密区和所述低密区采用相同的处理工艺。
组合墙体，将上述方法制得的木基结构板材的高密区和墙骨柱进行钉连接，且钉连接同时涂胶。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在木基结构板材两侧设置有高密区，使得板材在易破坏区增加了一条隐式增强条带，从而使得板材的整体力学性能得到提高，避免因局部破坏而导致部分钉连接在整体承担水平侧向力中无任何贡献的问题，填补了现有木基胶合板剪力墙增强技术中材料增强方面的空白，通过该技术措施，剪力墙中其木基胶合板各部位的强度性能都能够充分发挥，极大的提高各个构件的利用率；
(2)本发明的具有隐式增强条带的木基结构板材，其高密区的密度为低密区的1.1～1.7倍，保证木基胶合板达到局部增强的同时，节省了材料；
(3)本发明的木基结构板材的制备方法，采用在单板之间夹设短板的方式压制而成，该工艺不改变板材的主要制造参数，无需额外增加设备、改变工艺等，因此成本可控、可行性强；
(4)本发明的木基结构板材的制备方法，涂胶组坯时，短板采用横纹承压方式铺设，更有效的用来承受剪力墙中钉连接与木材之间产生的压力；
(5)本发明的木基结构板材的制备方法，其中高密区宽度设计为整个组坯宽度的1/8～1/6，增强宽度过小，不能达到增强需求，增强宽度若再增加，其中有效增强范围所占比例较小，不能达到材料的有效利用，另一方面根据剪力墙体抗侧试验，可以观测到钉连接在破坏时，其破坏半径大约在这个范围之内；
(6)本发明的木基结构板材的制备方法，高密区的密度从低密区两侧向外依次增加，使得高密区和低密区交界处平滑过渡，密度逐渐增加，避免木基胶合板在压制成型后在密度突变处产生应力集中的现象；
(7)本发明的木基结构板材的制备方法，高密区和低密区交界处平滑过渡的方式采用短板在垂直单板的方向上呈正态分布排列的方式，使得木基胶合板中的短板以中心单板对称设置，且中间单板两侧夹设的短板最长，由最长短板向上、下两侧方向上的短板长度依次减小，这种对称设计的方式使得木基胶合板上下两端受力均匀，进一步避免应力集中的问题；
(8)本发明的木基结构板材的制备方法，在涂胶组坯后继续进行预压、热压、裁边和砂光处理得到木基胶合板，其中在预压和热压工序中，高密区和低密区采用相同的处理工艺，保证板材的平整度，可操作性强；
(9)本发明的组合墙体，将上述方法制得的木基胶合板的高密区和墙骨柱进行钉连接，且钉连接同时涂胶，进一步提高组合墙体的抗侧性能，且木基胶合板可以先提前进行预制，更加便于拆装，装配度更高，同时进行密度局部增强的木基胶合板使得墙体的整体强度显著提高，有效解决了现有墙体在受到侧力压迫时四周边缘易过早屈服的问题。
附图说明
图1为常规木基结构板材未进行密度增强的组坯工艺示意图；
图2为水平力作用下常规木基结构板材剪力墙变形图；
图3为木基结构板材进行密度增强后的成型板示意图；
图4为实施例4的木基结构板材进行密度增强的组坯工艺示意图；
图5为实施例5的木基结构板材进行密度增强的组坯工艺示意图；
图6为实施例6的木基结构板材进行密度增强的组坯工艺示意图。
图中：1、成型板；101、高密区；102、低密区；2、胶黏剂；3、单板；4、短板；5、高应力区；6、低应力区；7、墙骨柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图3所示，具有隐式增强条带的木基结构板材，木基结构板材为木基胶合板，在木基胶合板厚度的水平方向上包括高密区101和低密区102，高密区101设置在低密区102的两侧，高密区101的密度高于低密区102。木基胶合板高密区101内与厚度相垂直的水平方向上的两层单板3之间两端夹设有短板4。
如图2所示，常规木基胶合板材做的剪力墙在受到水平作用破坏时，板材角部因受力集中导致易破损、钉子易拔出或过早屈服等应力不均匀分布等情况，而中心区域的板材依旧是完好的，这一部分完好的板材并没有充分发挥其作用。本实施例从材料层面考虑，通过对木基胶合板两侧的密度进行增强，使得木基胶合板两侧的力学强度显著提高，进而保证了板材两侧的边角拥有更高的应力承受范围，解决了板材边角处易过早屈服的问题，同时避免了因局部破坏而导致剪力墙中部分钉连接在整体承担水平侧向力中贡献过小的问题。增强边缘部位的强度，以确保力能够从高密区101传递到低密区102，这样就能够充分利用每一块区域板材的力学性能。
实施例2
本实施例的具有隐式增强条带的木基结构板材，其结构和实施例1基本相同，更进一步的，本实施例的高密区101的密度为低密区102的1.1～1.7倍。
具体的，本发明的高密区101的平均密度保持在0.65～0.85g/cm3范围内，低密区102的密度范围为0.5～0.6g/cm3，既满足了密度增强后强度的要求，同时也节省了材料。虽然说根据密度和强度正比例关系，倘若简单的考虑无尽提高密度来增加强度，不但会加大制备工艺的复杂程度和工料成本，在实际应用中也不能满足使用要求。从增强面积角度考虑，若仅仅考虑将整块板都增强可以提高板材强度，此时不但大大增加成本，而且板材的中心部位没达到充分利用。
实施例3
本发明的高密区101和低密区102的划分基础来源于前期对木基胶合板的研究，根据木骨架组合墙体受水平力时的破坏模式以及有限元的模拟结果，木基胶合板材作为覆面板时，其角部以及边部区域破坏最大，所承受的应力是板材中心区域的3～7倍。如图2所示，在剪力墙受到水平侧力破坏时，覆面板的四角会和墙骨柱7组成的墙骨架之间产生钉子易拔出的问题，相较于中间更容易破坏，通过有限元模拟很清楚的看到剪力墙在破坏过程中覆面板的应力分布，覆面板的四角为高应力区5，覆面板中间为低应力区6，这种应力的不均匀分布，导致覆面板边缘四角极易过早屈服。现有的增强手段没有从板材角度考虑，而板材强度与密度关系多在材性试验中研究较多。
本实施例的具有隐式增强条带的木基结构板材的制备方法，涂胶组坯时，在每两层单板3之间两端夹设有短板4，使得压制成型后木基胶合板两端形成高密区101，未夹设短板4的组坯形成低密区102。本实施例主要是从材料层面解决结构方面的问题，为避免了木基胶合板在压制成型后在密度突变处产生应力集中的问题，同时又能达到增强剪力墙整体强度的目的，如图4-图6所示，高密区101的密度从低密区102两侧向外依次增加。
值得一提的是，高密区101和低密区102的密度渐变可以通过将短板4设计为从上至下依次增加的方式，即短板4总厚度从高密区101和低密区102依次减少，但是采用这种方式会导致整个木基胶合板在压制的过程中产生应力集中的问题，故采用短板4在垂直单板3的方向上呈正态分布排列的方式，使得木基胶合板上下两端受力均匀，进一步避免应力集中的问题。采用这种方法制备的板材其强度也能满足国内外各类标准规范的要求和规定。
相较于图1常规木基胶合板的制备方式，增强后的胶合板成型板1与未进行增强的胶合板成型板1在规格尺寸上没有太大差异，本实施例仅仅在未进行增强的胶合板基础上，在板坯的两侧进行了短板4的夹设，使得两侧的组坯压制成型后拥有更高的密度，这种制备工艺，没有改变板材的主要制造参数，故无需额外增加设备、改变工艺等，因此成本可控且可行性更强。
实施例4
本实施例木基结构板材的制备方法，其步骤和实施例3基本相同，更具体的，本实施例的木基胶合板的尺寸为1.22m×2.44m，在涂胶组坯时工序中，如图4所示，添加的短板4的位置位于相邻两块单板3之间两端，其中，每条单板3在其两个端部处，与相邻单板3之间添加有两层短板层，每层添加两条短板，分别位于单板3两端，位于中间的单板3两侧夹设的短板4为最长短板，各层短板4以中间单板3为轴对称分布，且由中间单板3两侧的最长短板向上、下两侧依次减小，使得短板4在垂直单板3的方向上呈现正态分布，其中最长短板的长度为整个组坯宽度的1/8，上、下最顶侧短板4为最短短板，其长度为整个组坯宽度的1/16，压制成型后得到的成型板1高密区101的密度为0.85g/cm3，未进行密度增强的低密区102的密度为0.5g/cm3。
按照常规技术方案，由两块9mm厚、密度为0.5g/cm3组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙的极限承载力为30.99kN。
采用本实施例的制备工艺，由两块9mm厚、低密区102密度为0.5g/cm3以及高密区101的密度为0.85g/cm3的胶合板，和墙骨柱7钉连接同时涂胶组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙，在木基胶合板厚度不变的基础上，本实施例对其边缘部分进行了增强，使其具有更大的弹性模量以及握钉力，从而更加充分发挥板材的整体性能，相较于常规方案，经过增强的胶合板剪力墙的极限承载力为42.14kN，较常规方案剪力墙极限承载力提高了36％。
实施例5
本实施例木基结构板材的制备方法，其步骤和实施例4基本相同，所不同的是，如图5所示，本实施例的木基胶合板材的尺寸为1.22m×2.44m，添加的短板4的位置在相邻两块单板3之间两端，其中，每条单板在其两个端部处，与相邻单板3之间添加一层短板层，该层短板层有两条短板3，且分别位于单板3两端，位于中间的单板3两侧夹设的短板4为最长短板，各层短板4以中间单板3为轴对称分布，且由中间单板3两侧的最长短板向上、下两侧依次减小，使得短板4在垂直单板3的方向上呈现正态分布，其中最长短板的长度为整个组坯宽度的1/8，上、下最顶侧短板4为最短短板，其长度为整个组坯宽度的1/16板宽。压制成型后得到的成型板1高密区101的密度为0.65g/cm3，未进行密度增强的低密区102的密度为0.5g/cm3。
值得一提的是，相邻两个单板3之间一般选择1-2层短板层进行密度增强，一般对于受力要求高的建筑，选择两层短板层，在满足强度要求的前提下，施工方便，节省材料。且如果短板层过多，还会出现压制成型时不够平整的问题。
按照常规技术方案，由两块12mm厚、密度为0.65g/cm3组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙的极限承载力为39.83kN。
采用本实施例的制备工艺，根据有限元模拟结果，由两块12mm厚、低密区102密度为0.5g/cm3以及高密区101的密度为0.65g/cm3的胶合板，和墙骨柱7钉连接同时涂胶组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙，在板材厚度不变的基础上，边部密度不变，板芯密度降低23％，相较于常规方案，经过增强的胶合板剪力墙的极限承载力为41.94kN，高于常规方案剪力墙极限承载力5.3％，同时节约了12.5％的材料。
实施例6
本实施例木基结构板材的制备方法，其步骤和实施例4基本相同，所不同的是，如图6所示，本实施例的木基胶合板材的尺寸为1.22m×2.44m，添加的短板4的位置在相邻两块单板3之间两端，其中在每两条单板3之间夹设有一层短板层，该层短板层包括两条短板4，分别位于每条单板两端，位于中间的单板3两侧夹设的短板4为最长短板4，各层短板4以中间单板3为轴对称分布，且由中间单板3两侧的最长短板向上下两侧依次减小，使得短板4在垂直单板3的方向上呈现正态分布，其中最长短板的长度为整个组坯宽度的1/6，上、下最顶侧短板4为最短短板，其长度为整个组坯宽度的1/16，压制成型后得到的成型板1高密区101的密度为0.85g/cm3，未进行密度增强的低密区102的密度为0.6g/cm3。
按照常规技术方案，由两块12mm厚、密度为0.6g/cm3组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙的极限承载力为38.83kN。
采用本实施例的制备工艺，根据有限元模拟结果，由两块12mm厚、且低密区102密度为0.6g/cm3以及高密区101的密度为0.85g/cm3的胶合板，和墙骨柱7钉连接同时涂胶组成的尺寸为2.4m×2.4m的胶合板剪力墙，在板材厚度不变的基础上，对其边缘部分进行了增强，使其具有更大的弹性模量以及握钉力，从而更加充分发挥板材的整体性能，相较于常规方案，端部增强的胶合板的极限承载力为49.70kN，较常规方案剪力墙极限承载力提高了28％。
实施例7
本实施例木基结构板材的制备方法，在涂胶组坯时，在每两层单板3之间两端夹设有短板4，每两层板材之间均涂抹有胶黏剂2，使得压制成型后木基胶合板两端形成高密区101，未夹设短板的组坯形成低密区102。涂胶组坯时，短板4均采用横纹承压方式铺设，更有效的用来承受剪力墙中钉连接与木材之间产生的压力。
本实施例的制备方法，在涂胶组坯后继续进行预压、热压、裁边和砂光处理得到木基胶合板。在预压和热压工序中，高密区101和低密区102采用相同的处理工艺：在预压工序中工艺条件均为：P＝10～20MPa；t＝10～25s。在热压工序中工艺条件均为：T＝140～160℃；P＝1.2～4.0Mp；t＝30～50s，保证板材的平整度，可操作性强。
本发明制得的木基胶合板材用作常规木骨架组合墙体的覆面板，它进一步提高了目前常规木剪力墙的抗侧强度和延性，并解决了常规木剪力墙因受力不均导致材料性能无法充分利用的问题。本发明制得的这种具有隐式增强条带的木基胶合板和组合墙体，可用于钢、混凝土、木框架结构，用于承担结构的水平力。

Claims (7)

1.木基结构板材的制备方法，包括具有隐式增强条带的木基结构板材，所述的木基结构板材为木基胶合板，在木基胶合板厚度的水平方向上包括高密区(101)和低密区(102)，所述的高密区(101)设置在所述的低密区(102)的两侧，所述高密区(101)的密度高于低密区(102)；所述的高密区(101)的密度为所述低密区(102)的1.1~1.7倍，木基胶合板高密区(101)内与厚度相垂直的水平方向上的两层单板(3)之间两端夹设有短板(4)；所述短板(4)总厚度从高密区(101)和低密区(102)依次减少，或者短板(4)在垂直单板(3)的方向上呈正态分布排列；其特征在于：涂胶组坯时，在每两层单板(3)之间两端夹设有短板(4)，使得压制成型后木基胶合板两端形成高密区(101)，未夹设短板(4)的组坯形成低密区(102)；涂胶组坯时，所述短板(4)采用横纹承压方式铺设。
2.根据权利要求1所述的木基结构板材的制备方法，其特征在于：所述的高密区(101)宽度为整个组坯宽度的1/8~1/6。
3.根据权利要求2所述的木基结构板材的制备方法，其特征在于：所述的高密区(101)的密度从低密区(102)两侧向外依次增加。
4.根据权利要求3所述的木基结构板材的制备方法，其特征在于：所述的短板(4)在垂直单板(3)的方向上呈正态分布排列。
5.根据权利要求1所述的木基结构板材的制备方法，其特征在于：将涂胶组坯继续进行预压、热压、裁边和砂光处理得到木基胶合板。
6.根据权利要求5所述的木基结构板材的制备方法，其特征在于：在预压和热压工序中，所述高密区(101)和所述低密区(102)采用相同的处理工艺。
7.组合墙体，其特征在于：将权利要求1-6任意一项方法制得的木基结构板材的高密区(101)和墙骨柱(7)进行钉连接，且钉连接同时涂胶。
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