工程木质材料重点(1)

工程木质材料重点(1)

一、 绪论

工程木质材料的定义、种类、用途、优缺点、发展前景

含义：工程木制材料（Engineered Wood Products 简称 EWP）是指通过一系列加工，产品强度性能具有可评价、可设计保证的结构用木制材料。

特征：是强度性能可靠性高，相对于传统木质材料强度不明确，可靠性差而言，EWP强度性能明确而有保证。此外，它还具有可制成任意大规格的部件（结构用集成材，结构用单板层积材、PSL等），尺寸稳定性好，价格便宜（OSB、OSL等），重量轻（I字梁、金属连接桁架等），耐火性能高（大断面结构用集成材，大断面结构用单板层积材等）等优点。但也有缺点，例如，结构用集成材与锯材相比，价格高等等。由于各种产品各有其优、缺点，重要的是应根据用途，性能要求，预算等具体情况选择产品。

A.天然、可再生、与环境谐调。B.性能可靠性高，强度可设计、可预测、可评价 ，而且比较明确。C.强重比高，木材利用科学合理，节约木材。D.可制成任意规格和型状。E.尺寸稳定性好。F.耐火性能高。G.抗震性能好。

种类：工程木制材料一般都用作结构材料，取代传统的实体木材。它包括单板层积材（LVL：Laminated

Veneer Lumber）、单板条层积材（PSL）、定向条层积材（OSL）、结构用集成材（Glulam：Glued Laminated Lumber）、机械应力分等锯材（MSR：Machine Stress Rated Lumber）、定向刨花板（OSB）以及由LVL和OSB组合加工而成的I字梁（I—joist），金属件衔接木材桁架，结构用指接材等等。根据加工工艺分类如图1所示。

应力分等锯材 应力分等 锯割 层板 指接 结构用指接材 结构用集成材 短刨片 垂直定向铺装 削片 单向定向铺装 长刨片 单板旋切 单板 垂直层积 结构用胶合板 平行层积 结构用单板层积材（LVL） 割裂后平行层积 PSL（Parallel Strand Lumber） OSL（Oriented Strand Lumber） OSB（Oriented Strand Board） 图1 工程木制材料按加工工艺分类图

工程木质材料的主要用途

A. 结构用集成材:木结构房屋的的主梁、立柱，桥梁

的主梁等大型受力构件。

B. 单板层积材：主要用于建筑托梁、屋顶桁架、工字梁等构件，也可加工成门窗、门窗框，墙壁支柱、楼梯等建筑部件。

C. 结构用胶合板、定向刨花板：在建筑上可用于剪力墙、楼面板，工字梁制造等方面。结构用胶合板还可用于车辆、船舶制造，混凝土模板，集装箱底版等领域。ＯＳＢ还可用于包装运输等领域。

二、 木材的性能

三、 木材无损检测

检测技术原理（表格）、应力分等机

采用无损检测技术检测的木质材料物理力学性能主要包括：弹性模量、静曲强度和内结合强度（这两个指标一般是需要破坏试件的）、密度以及含水率等。目前，对木质材料的物理力学性能进行无损检测的主要方法如表1-1所示。

表1-1 木质材料力学性能无损检测技术

主要方法

检测原理

采用机械方法施加恒定变形(或载

机械应力荷)于被测试样上，测得相应的载荷检测

(或变形)，由计算机系统算出试样的弹性模量，并推测静曲强度。 通过施加外力使试样产生横向振动

振动检测 之后，通过传感器测取试样的自由振

动频率，计算出试样的弹性模量。 检测通过试样的纵向应力波的速度，

冲击应力结合试样的密度，确定出试样的弹性波检测 模量，对静曲强度及内结合强度等也

可进行有效的预测。

以射线透射木质材料，用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样

射线检测 前后射线强度的变化，根据射线衰减

率以及试样的平均吸收系数推算 出木材的密度。

超声波检

测

通过测定超声波经过试样预定距离的传播时间计算平均波速，然后可利用波速和密度计算试样的弹性模量。

微波检测 当发射天线发射的微波遇到被测木

材基体并透射时，将由于水分子的强烈吸收作用而使透射功率发生变化，根据接收天线接收到的微波的功率变化与含水率之间的关系，即可测定出木材的含水率。

木材按强度性能划分成几个等级，称为应力分等。规格材的应力分等是70年代木材行业的重要研究成果之一，它是合理利用木材，提高木材利用率的有效措施。表1-2为主要的规格材应力分等方法（郝金城，1994）。

表1-2 规格材应力分等方法

主要方法 目测分等 机械

分等原理

主要根据木材表面的节子、纹理、开裂、和腐朽等木材缺陷，在目测观察的基础上预测木材等级的方法。 根据木

由机械连续测量木材的变形，计算木材的静弹性模量，并从弹性模量和强度的关系，推测木材的

分等 材变形

强度值。

由木材的振动特性得出固有频

根据振率，计算木材的动弹性模量，并动特性 根据与强度的关系，推测木材的

强度值。

四、 结构集成材

1、 集成材、结构集成材、层板的定义

集成材（glued laminated timber，简称glulam） ：是用板材或小方材按木纤维平行方向，在厚度、宽度或长度方向胶合而成的木材制品。

结构用集成材 structural glued laminated timber（ structural glulam）：用一定强度等级的锯材作为层板，按顺纹方向相互平行层积胶合而成的结构用材。也称层板胶合木，简称胶合木。 层板 lamination：构成结构用集成材的每层厚度不超过50mm，具有一定强度标准要求的板材，包括在宽度方向拼接和在长度方向上斜接、指接以及其它等效胶合的板材。

宽面材边节径、斜纹倾斜比等各种定义

宽面材边节径比：板材宽度材面上，距板材两棱边10mm（对于干燥刨光后的层板距板材两棱边5mm）以内的范围叫做材边部分。节径比是指节子或孔洞的直径与所在的材面宽度之比的百分数。

宽面材边节径比（%）a或b100B

a或b——宽面材边部分的最大节子或孔洞的直径，

单位为毫米（mm）； B——板材宽度，单位为毫米（mm）。

集中节径比：是指在板材长度150mm区间内，节子及孔洞的直径总和与板材宽度的比值。节子直径检量是与板材的材棱平行的两条节子周切线之间的距离。

集中节径比abcdB

a、b、c——定区间内节子直径，单位为毫米（mm）； B ——板材宽度，单位为毫米（mm）。 斜纹倾斜比：木材斜纹理在层板宽度方向上的倾斜高度与相对应的层板纵向长度之比。

结构集成材使用环境、特征、强度等 使用环境

使用环境1：在每年内，相对于温度为20℃和仅有几周空气相对湿度超过65%条件下的环境，在此环境下，对于绝大多数针叶材来说，年平均平衡含水率不超过12%。

使用环境2：在每年内，相对于温度为20℃和仅有几周空气相对湿度超过85%条件下的环境，在此环境下，对于绝大多数针叶材来说，年平均平衡含水率高于12%，但不超过20%。

使用环境3：在每年内，木材含水率高于使用环境2条件下的木材含水率，例如构件完全暴露在室外大气中。对于绝大多数针叶材来说，年平均平衡含水率超过20%。

特征强度：在温度为20℃，相对湿度为65%条件下，使试件达到平衡含水率状态，进行力学性能试验（持续时间300秒左右）所得试验数值的5%下限值，或以含水率12%为标准的足尺试验数值的5%下限值，称为特征值。在此又称5%分位值。

集成材分类、用途 分类

(1) 根据承载情况分为：

结构用集成材和非结构用集成材； (2) 根据产品形状分为：

通直集成材、弯曲集成材、方形截面集成材、矩形截面集成材及变形截面集成材；

(3) 根据用途分为：

结构用集成材、非结构用集成材、贴面非结构用集成材、贴面结构用集成材；

(4) 根据集成材层板等级分为：同等级构成集成材、异等级构成集成材；

(5) 根据集成材层板等级或树种配置分为：对称结构集成材、非对称结构集成材；

(6) 根据受力特点分为：水平型集成材和垂直型集成材（见图2）及轴向荷载型集成材。 用途：

集成材没有改变木材的结构和特点，它仍和木材一样是一种天然基材，但从物理力学性能来看，在抗拉、抗压强度和材料质量的均匀化方面都优于木材。因此，集成材可以代替实体木材，应用于木材行业的各个领域。

（1） 结构用集成材的用途：结构用集成材作为建筑构件，它虽然是可燃材料，但当构件截面足够大时它也是耐燃材料，在火灾中倒塌的危险性极小，避难时间长，使建筑物内部的机械或物品不致因倒塌而损坏，在一定时间内可避免人身伤害。故结构用集成材可制作各种造型的承载梁、柱、架等，并且

已被广泛应用于体育馆、音乐厅、厂房、仓库及桥梁等建筑物上。

（2） 非结构用集成材的用途：非结构用集成材主要用于制作受力较小的部件。在家具行业，主要作为家具面板、门板和侧板等大幅面部件、柜类隔板、府板和抽屉底板等不外露的部件；抽屉面板、侧板、柜类小门等小幅面部件及椅类支架、扶手、靠背、沙发、茶几等弯曲部件。在装修业，主要用于楼梯侧板、踏步板、地板及墙壁装饰板等。

2、 指接材定义、有无肩榫的两种指接材用在什么地方、指接的要求

3、 层板的各种检测方法（抗弯、抗拉） 正弯曲、负弯曲

正弯曲plus bending：当荷载作用于非对称异等组合结构用集成材受压侧层板的宽面上，受拉侧层板的宽面朝下时的弯曲。

负弯曲minus bending：当荷载作用于非对称异等组合结构用集成材受拉侧层板的宽面上，受压侧层板的宽面朝下时的弯曲。

4、 胶黏剂：间苯二酚、异氰酸酯

五、 单板类工程木质材料

单板层积材的定义、与普通胶合板的区别、特点、用途 区别

根据胶合板的结构和加工方法可以将胶合板分为普通胶合板和特种胶合板两大类。普通胶合板仅由奇数层单板根据对称原则组坯胶合而成，是产量最多、用途最广、结构最为典型的胶合板产品。特种胶合板是结构、加工方法、用途与普通胶合板都有明显差异的胶合板产品。随着科学技术的发展和各种不同的使用要求，特种胶合板的品种也越来越多。特种胶合板是按其结构形式进行分类的，如可分为：特殊结构胶合板、表面特殊加工胶合板、成型胶合板等。

胶合板也可以分为结构用胶合板和非结构用胶合板(薄板为主)两大类。结构胶合板多为厚胶合板。由于树种和成本等因素影响，北美和欧洲主要生产厚板；东南亚则以薄板生产为主。 结构用胶合板种类、特点

（1）结构胶合板的种类：结构胶合板（Structural Plywood）是采用耐水胶粘结，用于做受力构件，主要包括层积芯板结构胶合板和厚芯板结构胶合板两种。

（2）结构胶合板的特点：由于结构胶合板产品物

理力学性能的特殊要求， 与普通胶合板相比， 在生产工艺、制造技术和性能指标方面有其自己的特点。

1）原料选择 结构胶合板生产多采用针叶材作原料，也可采用混合树种，合理搭配内部结构，充分利用各树种木材材性优点，使产品的质量和综合性能达到优良。生产中， 还要根据成品规格尺寸，选择所用原料的长度。结构胶合板规格尺寸种类多、变化大， 因此要注意原料的搭配使用，合理利用木材，减少裁边损失。

2）产品组坯结构 结构胶合板组坯结构在符合对称原则的同时，还要根据其产品使用时的受力特点及产品技术要求进行结构设计，使其达到力学指标要求。目前结构胶合板生产中， 大多数采用复合表板结构设计。这种结构可减少热压压力和木材压缩率，产品强重比较高；同时解决了高压力、高压缩率产品湿回弹性大和变形大等问题。

3）单板加工 厚单板：通常单板厚度应控制在1.2～4.5mm 之间。

单板干燥最好采用辊筒干燥机，

可提高单扳平整度。

4）胶粘剂 结构胶台板主要是在室外条件下应用， 因此要求其应具有耐候性和耐老化性， 生产中多采用酚醛树脂胶。对于集装箱底板这种有防腐防虫

要求的结构胶合板产品，还要根据要求在调胶时填加防腐、防虫剂。

5）组坯、涂胶和热压工艺 生产中可采用改性酚醛树脂胶， 提高其固化速度， 缩短热压时间。调胶时适当加入填加剂，增加酚醛树脂中的干物质含量，减少板坯中水分，这样有利于热压工艺控制。板坯预压压力一般控制在1.0~1.2MPa，预压时间20min。热压温度125℃～140℃ ；热压压力根据产品力学性能要求进行调整，通常为1.2～1.8MPa，热压时间1 min／mm 。由于结构胶合板产品较厚，组坯的单板层数较多， 因此易造成板坯的厚度偏差较大，生产中通常采用厚度规来控制产品的厚度。

6）产品加工 热压后的结构胶合板要堆垛存放，使酚醛树脂在较高温度下继续固化，从而提高产品的力学强度； 同时堆垛存放也可防止产品翘曲变形。根据不同类型结构胶合板的使用特点和要求，要按设计图纸的规格尺寸和技术要求对其进行后期加工处理，包括：机械加工(锯、铣、刨、钻)、表面涂刷、二次贴面或表面防滑处理等， 提高产品的适应性和耐久性。

7）力学性能 结构胶合板作为室外工程用品，除了要有良好的耐气候性、耐老化性外．还要具有抗震性、耐冲击性等；同时根据不同使用用途对特殊产品

静曲强度、弹性模量等力学性能指标也提出了具体要求。如混凝土模板用胶合板，集装箱底板、车箱板等结构胶合板产品已制定或将陆续推出相应的国家标准。

结构胶合板在木结构建筑上的应用

结构胶合板一般为厚胶合板， 是胶合板家族的重要组成部分。结构胶合板与普通胶合板相比，除了单板层数较多、厚度较大（≥12 mm）外，在产品的物理力学性能及生产工艺方面也存在着较大差异。 结构胶合板在建筑行业有着广泛的用途，在经济上可与细木工板、中密度纤维板、刨花板、单板层积材和锯材竞争，主要用作建筑中的旁板、地板衬板、水泥模板，特别是用预制构件的场合，结构胶合板是理想的承重结构材料；在家具制造领域，结构胶合板也有广泛的应用前景，如框架结构、表面覆盖优质单板或装饰板的结构胶合板甚至可直接用于家具表面；除此之外，结构胶合板在车船制造业及枕木制造等方面亦具有广阔的市场前景，可在包装用板中做受力构件等，且新的应用场合及新的用途正在连续不断的开发之中。

5. 2 结构用单板层积材

5. 2.1 单板层积材概述

单板层积材(Laminated Veneer Lumber，简称LVL):多层整幅（或经拼接）单板按顺纹为主组坯胶合而成的板材。

采用旋切、刨切及其他方式切削的单板，以单板按顺纹为主组坯层积胶合而成的板材，以及当使用垂直单板时，垂直单板的合计厚度不超过产品的20%，而且垂直单板的层数不超过构成产品单板总层数的30%，组坯层积胶合而成的板材。

5. 2.2 结构用单板层积材的分类、规格、特点 单板层积材根据用途可分为结构用LVL（即承重构件）和非结构用LVL（即非承重构件）两类。结构用单板层积材一般用于瞬间或长期承受载荷的结构部件，如大跨度建筑设施的梁或柱、木结构房屋、车辆船舶和桥梁等的承载结构部件；非结构用单板层积材主要用于家具、室内装修，如门、门窗框、室内隔板等。 结构用单板层积材规格多样，厚度范围大。国家标准（GB/T20241-2006）中规定的规格尺寸为： 长度≥1830mm、宽度915mm、1220mm、1830mm、2440mm、厚度≥19mm。特殊规格尺寸及其偏差由供需双方协议。 为确保结构用单板层积材的强度及强度的均匀性，国家标准对单板层数有严格要求，优等品要求12层以

上，一等品9层以上，合格品6层以上。

单板层积材的优点为：

（1）可靠性高。单板层积材是强重比很高的建筑材料，优于钢材。由于LVL可将木材中常见的节子、孔洞、斜纹等缺陷分散于各层单板之中，与锯材相比，变异性小。锯材力学性能的变化率一般在30％以上，而LVL强度变化率一般在12％以下，因此，LVL具有均匀的结构特性，具有较高的可靠性。

（2）规格大。单板层积材的生产技术使它的尺寸大小可以不受旋切原木径级或单板规格的限制，完全可以满足大跨距梁和车辆及船舶的需要。可方便地制成任意形状和长度的建筑构件及车船用材，它特别适合作为大跨度梁，是一般钢材和实体木材无法替代的结构用材。

（3）形状可裁截。单板层积材的最终形状可以根据需要裁截，不受原材料形状和缺陷的影响。由于它的层积结构大大减少了翘曲和扭曲，并且不会导致其产生变形，所以其稳定性好。

（4）加工性良好。单板层积材的加工和木材一样，可锯切、刨切、凿眼、钉钉等。由于木纹与产品长度方向一致，继承了实体木材的天然特性，如加工性能好、弯曲性大、具有天然木纹的装饰性等。

（5）耐候性强。木材本身就是天然的、经久耐用

的材料之一。而LVL是用防水性胶粘剂将单板层积胶合构成的，因此，它比其他木质材料有较高的耐候性。如果对单板进行特殊处理后再胶合，也可使其具有耐腐蚀性。

（6）耐火性好。由于木材热解过程的时间性和单板层积材的胶合结构，作为结构材的LVL耐火性比钢材好。钢材在大火中会塌陷、破损，而单板层积材只有表层碳化，保持着大部分强度。日本对美式木结构房屋进行的火灾试验表明，其抗火灾能力不低于2个小时，而重量较轻的钢结构会在遇火后1个小时内丧失支撑能力。

（7）抗震减震性好。单板层积材具有极强的抗震性能和减震性能，以及能抵抗周期性应力产生的疲劳破坏。其建筑物在地震中的稳定性已经得到反复验证，即使强烈的地震使整个建筑物脱离基础，其结构也经常完整无损。

（8）经济性较高。单板层积材的经济性集中地表现在小材大用，劣材优用的增值效应，它使用不同树种的木材和不同质量的原材料进行层积胶合，利用率大大高干锯材。由于LVL是由旋切单板顺纹层积而成的板材，不需剔除节子等缺陷，与集成材相比可提高出材率一倍以上，经济效益较高。

（9）单板层积材的生产和应用可以实现标准化、

系列化。LVL的生产可按一定的质量标准将旋切单板分等，生产出不同等级质量标准的产品，实现产品的标准化、系列化生产，便于用户实现标准化、专业化设计与应用。

检测方法（抗弯、抗剪）

注：单板层积材与普通胶合板的抗剪强度检测方法不一样

六、 FRP增强木质复合 什么是复合材料

复合材料(Composite materials) ：是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

纤维增强聚合物基（FIBER-REINFORCED POLYMER 简称FRP）-木质复合材料是纤维增强聚合物作为增强物增强木材所获得的性能优越的先进工程木质复合材料。

发展FRP增强木质复合材料的意义

1）缓解我国金属石油、矿石、木材供需矛盾，保障等资源供应安全

2）无机非金属矿产资源、人工林、次生林资源高效利用，提高产品附加值，增强企业经济效益 3）提高产品的科技含量和附加值，促进产品的更新换代和木材工业的产业升级

4）节能减排、发展低炭经济和绿色高性能复合材料产业

5）保证木结构建筑安全

FRP/增强工程木质复合材料特征： 强度或刚度的提高。

降低材料力学性能的变异性，允许更大的设计值。 使得低等材质树种和速生材可用于工程产品。 减小木构件的尺寸，降低其重量。 增加产品的韧性、适用性和耐疲劳性能。 提高材料的耐久性和尺寸稳定性。

FRP增强木质复合材料所用的纤维种类

常用高性能纤维 ：主要有三种：玻璃纤维、碳/石墨纤维以及合成纤维（芳纶纤维等）

玻璃纤维——基本组成：碳、硅、氧、氮。这些成分都是具有很强的共价键、密度小、热稳定性高和自

然界中含量丰富的特征。

主要成分：硅、二氧化硅（55－72％）。 其它组成成分：Al2O3，和MgO。

优点：硬度高、耐腐蚀好、呈惰性、质量 轻，柔韧性好和价格便宜。

缺点：生产过程中需要高温，能耗大。 碳/石墨纤维：碳纤维，也称为石墨纤维，具有强重比高、耐腐蚀、导电等优良性能。

碳纤维生产原料：聚合丙稀腈（PAN），沥青和人造 纤维（C6H10O5）n。

碳纤维生产方法：气态原料、液态原料和固体原料。 FRP增强木质复合材料的胶合性能 木材/FRP胶接性能评价的方法论

目标：在相关的性能范围内，确定一整套简单而完整的材料的刚度、强度、韧性和耐久性的测试方法 为改进材料性能规范提供必要的数据和建议 七、 预制工程木质材料

工字梁的种类、翼缘与腹板的结合 木桁架、剪力墙 八、 木结构建筑连接件

连接件的种类：钉、胶等，连接方式

木结构建筑的联结方式主要有传统的榫卯嵌合连接、连接件连接和胶合连接三种，而现代轻型木结构连

接通常由两个或两个以上的骨架构件和一个像紧固件或专业连接五金件这样的机械连接装置所组成。当把墙面装修材料或楼板铺设到框架时也会采用胶黏剂来辅助机械连接件