OSB组合异型短柱轴压试验研究

苏正　曹宝珠　张聪　宋文涛　凌苛苛

摘要：为研究定向结构刨花板（Oriented Strand Board ， OSB）组合而成的异型短柱在轴压条件下的极限承载力及破坏特征，设计9个不同截面类型及螺钉间距的短柱试件以及5块同尺寸OSB板件，通过静力加载试验对其承载力大小、变形能力和破坏形态进行研究。根据试验结果，对不同类型、不同钉距短柱的破坏机理进行分析，提出基于组合系数和异型系数修正的短柱极限承载力公式，建立短柱极限承载力与短柱类型、钉距、高厚比、板材弹性模量、泊松比及板材长宽厚之间的关系。结果表明：随着钉距的减小，短柱承载力得到提高而延性随之降低，短柱破坏由中部挠曲破坏转变为端部剪切破坏;提出的短柱极限承载力公式的计算值与试验值符合较好，先求短柱组成板件的承载力再用组合系数及异型系数修正来得到短柱最终承载力的方案可行。

关键词：OSB;异型短柱;轴压试验;异型系数;极限承载力

中图分类号：TU366文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）03-0114-07

Axial Compression Test of OSB Combined Special-shaped Short Columns

SU Zheng， CAO Baozhu*， ZHANG Cong， SONG Wentao， LING Keke

（School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou 570228）

Abstract：In order to study the ultimate bearing capacity and failure characteristics of special-shaped short columns composed of Oriented Strand Board （OSB） under axial compression， nine short column specimens with different section types and screw spacing and five OSB specimens of the same size were designed. The bearing capacity， deformation capacity and failure mode were studied by static loading test. According to the test results， the failure mechanism of short columns with different types and different nail spacing was analyzed， and the formula of ultimate bearing capacity of short columns modified by combination coefficient and special-shaped coefficient was proposed. The relationship between the ultimate bearing capacity of short columns and the types of short columns， nail spacing， height-thickness ratio， elastic modulus， Poissons ratio of plates， length and width of plates was established. The results showed that with the decrease of nail spacing， the bearing capacity of short columns increased and ductility decreased， and the failure of short columns changed from flexural failure in the middle to collapse failure in the end. It was feasible to get the ultimate bearing capacity of short columns.

Keywords：OSB; special-shaped short columns; axial compression test; abnormal coefficient; ultimate bearing capacity

0引言

定向結构刨花板（OSB）作为工程人造板自1964年在加拿大问世，在过去的25年中得到了广泛地应用，产量持续稳定增长。中国OSB正式研究始于1978年，曾列入国家“八五”科技攻关项目，南京林业大学还成立了定向结构板工程研究中心，对OSB进行了比较系统的研究。1991年首条引进的OSB生产线在南京落成;1995年首条国产OSB生产线在福建建瓯建成，同年获专利。1998年开始起草OSB的行业标准（LY/T158022000），并于2001年开始正式颁布实施[1-5]。OSB板具有材质均匀、握钉力好和防潮等优点，将其作为结构板材已应用于冷弯薄壁型钢复合墙体[6-7]、楼盖[8-11]、木结构墙体附面板[12-13]、楼面板[14]和木质工字梁的腹板[15]等结构上，并显示出了良好的工程性质。然而，将OSB板材通过螺钉连接形成组合柱的研究较少，这也制约了OSB板在低层轻型住宅中的应用。为此，本文设计了3种类型共9个试件的OSB组合异型短柱，并进行了近似轴压试验（无法完全消除柱端摩擦约束，用角磨机对柱端进行抛光处理以减小误差），着重探究不同截面形式、不同螺钉间距参数对组合短柱承载力及破坏特征的影响。

1试验概况

1.1试件设计

本次试验采用北新集团产OSB板材，如图1所示，参照《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》（GB/T17657-2013）[16]中的材性试验方案进行了材性试验，其性能参数见表1。OSB组合异型短柱构造形式如图2所示，截面尺寸如图3所示。3种类型短柱均由400 mm×200 mm×18 mm（长×宽×厚）的OSB板组合而成，短柱上下端用间距为25 mm的两排自攻螺釘加强连接，每种类型短柱均有150、100、50 mm 3种螺钉间距。本次试验试件连接均采用规格为M5.5-24T（12#—50）的六角法兰面自钻自攻螺钉。

1.2试件加载方式

试验使用济南试金集团有限公司制造的型号为YAW-3000A微机控制电液伺服压力试验机，采用位移控制加载，加载速率为5 mm/min，试件破坏设定为加载力下降20%。正式加载前先进行载荷为1 kN预加载使上下加载板与短柱上下面之间的缝隙闭合，试验加载示意图如图4所示。

2试验结果与分析

对3种类型共9根异型短柱及5块同尺寸OSB板进行轴压试验。其中5块OSB板试验现象基本相同，在加载前期并无明显现象，当承载力达到约80%极限承载力时开始有“噼啪”声，声音来自于板材内部结构性片材破坏，随着承载力提高，“噼啪”越来越紧凑，当达到极限承载力时，OSB板“啪”一声从中部断裂，裂缝为锯齿状，整个板材向一侧挠曲，承载力快速下降，破坏情况如图5所示。

在9根异型短柱试验现象中，相同钉距不同类型的短柱破坏特点并无本质差别，而不同钉距之间试验现象则有明显不同。其中A、B、C型150 mm钉距的短柱前期现象与OSB板轴压现象基本相同，在接近极限承载力时新出现“蹦、蹦”声音，声音来自于螺钉螺纹的拔出，随后即出现“啪”的板材断裂声，但承载力并未明显下降，还能维持在较高的水平。继续加载则在短柱上下端部出现木材压溃现象，此时，短柱中部板材向外挠曲已较为明显，垂直两板间已有较大缝隙，肉眼可见拔出的螺钉螺纹上裹挟着黄色木屑。而A、B、C型100、50 mm钉距的短柱在整个实验过程中并未出现中部破坏现象，在接近极限承载力时出现“蹦、蹦”声，声音同样来自于螺钉螺纹的拔出，所不同的是螺钉拔出位置在短柱端部，之后承载力持续下降，端部木材也有压溃现象，9根短柱破坏情况如图5所示。

5个OSB板荷载—变形曲线及9根异型短柱荷载—变形曲线如图6所示，各试件极限承载力及对应变形见表2。

由OSB板的荷载—变形曲线可以看出，在承载力上升期基本呈线性变化，试件达到极限承载力后并不能维持在较高水平，脆性特征比较明显，这也与OSB板试验破坏现象为中部挠曲破坏相一致。类型A、类型B与类型C不同钉距的荷载—变形曲

线有着相同的规律，随着短柱钉距的减小曲线斜率增大，极限承载力提高，变形能力下降，钉距为150 mm的3种类型短柱在达到极限承载力时均有一段延性平台，而钉距为100 mm和50 mm的两种类型短柱在达到极限承载力时没有类似延性平台。由相同钉距不同类型短柱荷载—变形曲线的对比可以看出，类型A与类型C的极限承载力及荷载—变形曲线变化趋势基本相同，而类型B短柱150 mm钉距的极限承载力低于类型A与类型C的极限承载力，当钉距为100 mm和50 mm时则明显高于类型A与类型C的极限承载力，故可以认为，螺钉加密对B类型短柱极限承载力的提高作用更为明显。

综合分析短柱试验破坏现象和荷载—变形曲线可以发现，钉距对短柱破坏现象及荷载—变形曲线有明显影响，钉距较长时短柱中部受弯破坏，表现出一定延性特征，短柱开裂后承载力并未快速丧失，相应的荷载—变形曲线有屈服平台;随着钉距的减小，短柱端部剪切破坏成分增多，短柱一裂就坏，破坏后不能继续承载，对应的荷载—变形曲线拐点明显。

3理论推导

由表2知，各类短柱极限承载力均大于4块OSB板承载力之和，即14.3×4=57.2 kN。想到短柱极限承载力是否可以通过先求出组成的板件承载力，再用各自组合系数和外形系数加以修正来得到，现提出短柱极限承载力通用公式：

N=μ1μ2（l1+l2+l3+l4）Pcr。 （1）

μ1=elgλ·0.5lgs。 （2）

式中：N为短柱的极限承载力;μ1为板件组合系数（与OSB板高厚比λ及螺钉间距s有关）;μ2为短柱异型系数（与短柱类型有关，类型A、类型B、类型C短柱异型系数分别取为0.586、0.606、0.675）;l1、l2、l3、l4为组成短柱的板件宽度;Pcr为OSB板单位宽度压力。

由短柱极限承载力公式可以看出，OSB板单位宽度压力Pcr为求解的关键。参考陈骥《钢结构稳定理论与设计》（第六版）[17]，板厚t为18 mm，板宽b为200 mm，1/100～1/80

再用瑞利—里兹法即可求解Pcr。瑞利—里兹法求解板的屈曲荷载时需假定符合板的几何边界条件的挠曲面函数。假定此函数为

ω=∞m=1∞n=1Amnf（x，y）。（6）

将此式代入总势能的计算公式中，积分后，根据势能驻值原理，建立一组A11=0，

A12=0，…，Amn=0的线性方程组，该方程组有非零解的条件是此方程组系数行列式为零，即板的屈曲方程。方程解得通式为

Pcr=kπb2·Et312（1-v2）。 （7）

带入相应边界条件并整合公式得短柱极限承载力公式为

N=elgλ·0.5lgsμ2（l1+l2+l3+l4）·

0.16πb2·Et312（1-v2）。（8）

现将不同类型、不同钉距的短柱参数代入承载力公式（8），求得理论承载力与试验承载力进行对比，结果见表3。

从表3数据对比可以看出，由公式推导的理论承载力与试验承载力较为接近，且多数情况下理论承载力低于试验承载力，提供了一定的承载力富余。从表中还能看出当钉距为50 mm时理论承载力略微偏大，可以在设计时适当增大安全系数。

4结论

（1）基于OSB板组合的异型短柱具有较高的承载力，在钉距适当情况下也有较好的延性，这为低层轻型住宅的设计提供了更多的结构性选择。

（2）减小钉距对类型B短柱承载力的提高较类型A、C短柱承载力的提高作用更为明显。

（3）通过先求得板件承载力，再用组合系数和异型系数进行修正而最终得到短柱承载力的方案可行，同时提出的短柱最终承载力公式与试验结果符合较好，可为类似构件及试验提供一定的参考。

（4）本次试验研究集中于短柱类型和钉距对承载力的影响，其他参数如板厚、高厚比和钉长等对承载力和变形的影响以及长柱的研究、防火防腐蚀和非轴压作用等需后续系列试验研究。

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