一种结构用指接规格材及其制造方法.pdf

本发明提供了一种规格材及其制造方法，具体是指一种结构用指接规格材及其制造方法。所述指接规格材是由同等级的、两个以上指接单元指接而成，且指接单元的指榫长度为20mm～35mm。其制造方法主要包括：根据各指接单元的弯曲弹性模量对指接单元进行分等；对各指接单元进行铣齿；将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接，得到指接规格材。本发明的指接规格材具有良好的结构性能，可用于木结构建筑或其它建筑中的墙体墙骨柱、梁等构件。

1、  一种指接规格材，该指接规格材是由同等级的、两个以上指接单元指接而成，且指接单元的指榫长度为20mm～35mm。

2、  根据权利要求1所述的指接规格材，其中，所述同等级是指该等级内各指接单元的弯曲弹性模量大于等于目标等级弯曲弹性模量平均值的0.80～0.90倍。

3、  根据权利要求1所述的指接规格材，其中，所述指接单元长度0.5～1.0m，含水率10％～15％，指接端往里5cm内没有降等缺陷。

4、  根据权利要求1所述的指接规格材，其中，所述指榫参数：嵌合度0.2～0.4mm，斜度1/9～1/13。

5、  根据权利要求1所述的指接规格材，其中，所述指接单元间涂有结构用胶，所述结构用胶为间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶。

6、  根据权利要求1所述的指接规格材，该指接规格材的弯曲弹性模量标准值为指接单元平均值的0.80～0.95倍，抗弯强度和抗拉强度标准值为指接单元标准值的0.7～0.9倍。

7、  权利要求1～6任一项所述指接规格材的制造方法，该方法包括步骤：
根据各指接单元的弯曲弹性模量对指接单元进行分等；
对各指接单元进行铣齿；
将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接，得到指接规格材。

8、  根据权利要求7所述的方法，其中，在将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接时，单面涂刷结构用胶，单面涂胶量0.2～0.4g/cm²；并且，控制指接在20～30℃进行，将指接材在指接机上保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生18～24h。

9、  根据权利要求7或8所述的方法，其中，按照指接端压为齿长的幂函数关系确定指接时的指接端压。

10、  根据权利要求9所述的方法，该方法是制造人工林杉木指接规格材，其中，按照齿长的-0.434次方再乘以30.938倍确定指接端压。

一种结构用指接规格材及其制造方法
技术领域
本发明是关于一种规格材及其制造方法，具体是关于一种可用于木结构建筑或其它建筑中的墙体墙骨柱、梁等构件的结构用指接规格材及其制造方法，属于木材加工技术领域。
背景技术
规格材是按木结构建筑设计的需要，木材截面的宽度和高度按照规定尺寸加工的一种规格化锯材，经过严格的分等程序后主要应用在木结构建筑的墙骨、桁架、工字梁等结构材料和构件上。
我国木结构建筑历史悠久，远溯3500年前就基本已形成用榫卯连接梁柱的框架体系，到唐代逐渐成熟，许多大型木结构迄今已历经百年甚至千年。解放后，我国木桁架结构由传统的设计与加工技术，逐步进入现代胶合木结构的设计与加工阶段。20世纪80年代以后，随着我国可用于木结构建筑的木材逐渐减少，木结构建筑基本被停用。近年来，随着国外木结构住宅进入中国市场，以及国内木结构建筑相关规范的相继出台，标志着我国停滞了20多年的木结构建筑开始复苏。据不完全统计，到目前我国木结构居住建筑建造数量已经达到了9000多幢，以轻型木结构类型居多，主要分布在我国北京、上海、南京等主要消费城市。随着我国木结构建筑兴起，规格材作为木结构建筑中重要的结构材料，其需求量必然将有大幅度提高。
规格材最初是实体规格材，由原木锯解干燥再精加工成规定尺寸，用这种方法制造规格材的出材率低。另外，在我国，天然林保护工程限制了大径级原木的采伐，解决当前木结构建筑用规格材的途径之一就是利用国产人工林木材，而人工林木材大部分由于直径小、长度短、弯曲多等原因，如果按传统方法加工制造成实体规格材将很难有效利用。随着木材利用格局的变化和木材性质的变化，为了满足市场需求和利润要求，大量锯材厂引入了指接工艺，通过对低等级的大尺寸规格材截短，去掉最大缺陷，然后再进行指接加工制成指接规格材，从而提升规格材的等级和利用范围。
我国指接材起步于20世纪80年代，近年来发展较快，但生产企业和生产力还相对较小，指接类型和指榫形状也相对单一，多以12mm左右的短齿生产非结构用指接材，难以应用在建筑领域(在我国《木结构设计规范(GB50005-2005)》中明确了胶合木层板指榫长度必须大于等于20mm)。目前的指接材工艺中，对指接单元的选择条件是在全长范围内无节子等缺陷材，后期还需要再确定指接材性能。这种工艺难以大幅度提高木材利用率，而且最终产品力学性能不稳定，变异性大。
发明内容
现有技术中原木制造规格材的出材率仅为40％～50％，在约60％的剩余物中，还可以形成一部分的非标准长度的短尺寸规格材，本发明的一个主要目的即在于解决这部分规格材的利用问题，以提高木材利用率。
本发明的另一目的在于提供一种指接规格材，可用于木结构建筑或其它建筑中的墙体墙骨柱、梁等构件。
本发明的另一目的在于提供一种指接规格材的制造方法，在尽量简化现有指接工艺的基础上，提高最终产品的结构性能，提高其力学性能稳定性及减少变异性，提高木材的利用率。
一方面，本发明提供了一种指接规格材，该指接规格材是由同等级的、两个以上指接单元指接而成，且指接单元的指榫长度为20mm～35mm。
本发明的指接规格材，主要是利用由原木制造出实体规格材后的近60％的剩余物中所形成的部分非标准长度的短尺寸规格材，加工成指接单元进行指接工艺而制造出指接规格材，可以达到提高木材利用率10％～20％的目的。
本发明中，主要是根据各指接单元的弯曲弹性模量进行分等，利用机械应力分等材作为指接单元进行指接，这样将利于所制造出的指接规格材的结构性能。根据本发明的具体实施方案，所述同等级是指该等级内各指接单元的弯曲弹性模量大于等于目标等级弯曲弹性模量平均值的0.80～0.90倍。
根据本发明的具体实施方案，指接单元的指榫长度是影响指接规格材的力学性能稳定性的关键参数之一，本发明中优选的指榫长度为20mm～35mm，更优范围是20～30mm。
在本发明的更优选的实施方案中，所述指榫参数：嵌合度0.2～0.4mm，斜度1/9～1/13。
根据本发明的优选具体实施方案，所述指接单元长度0.5～1.0m，含水率10％～15％，指接端往里5cm内没有降等缺陷。
根据本发明的具体实施方案，所述指接单元间应涂有结构用胶，将指接单元牢固连接，本发明中优选的所述结构用胶为间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶。
根据本发明的具体实施方案，本发明的指接规格材的弯曲弹性模量为指接单元平均值的0.80～0.95倍，抗弯强度和抗拉强度标准值为指接单元标准值的0.7～0.9倍。
本发明的指接规格材，具有良好的结构性能，可用作结构用指接规格材，例如可以直接用于木结构墙体墙骨柱，还可以作为翼缘或上下弦制造工字梁和木桁架梁，所述的墙体、梁这些构件主要可使用在木结构建筑或其它建筑中。
另一方面，本发明还提供了所述指接规格材的制造方法，其主要是将短的规格材先机械分等再通过指接的方式接长制造指接规格材。根据本发明的具体实施方案，本发明的指接规格材的制造方法包括步骤：
根据各指接单元的弯曲弹性模量对指接单元进行分等；
对各指接单元进行铣齿；
将同等级的、铣齿后的指接单元进行指接，得到指接规格材。
利用本发明的方法，预先对短尺寸的规格材应力分等，按照不同等级组合指接成规格材，不仅可以提高木材的利用率，还可以提高最终规格材的结构性能。
根据本发明的具体实施方案，本发明的指接规格材的制造方法主要按照以下操作进行：
(1)将非标准长度的规格材截成定长的规格材作为指接单元。根据本发明的优选实施方案，所述指接单元的长度为0.5～1.0m；指接单元的含水率应控制在10％～15％截面尺寸应满足《木结构设计规范(GB50005-2005)》对规格材规格(例如40或45系列)的要求；本发明要求指接单元指接端往里5cm内应没有降等缺陷，例如节子等。
(2)对所述指接单元进行分等。本发明中，是根据指接单元的弯曲弹性模量将指接单元进行分等。所述各指接单元的弯曲弹性模量可以按照现有技术的记载方法直接测量得到或通过测量试件的其他参数计算得到。在本发明的一具体的实施方案中，主要是通过测量指接单元的基本自振频率，计算弯曲弹性模量，并按照目标等级确定等级界限，将指接单元分成等级组。具体操作可以为：
首先，测定各指接单元的基本自振频率，优选利用横向振动法，具体操作时，可将指接单元两端(长度方向)悬挂于弹性皮筋上或置于弹性泡沫板上，支点位置位于相应端部往里5～20cm范围内。将传感器放于距端部5cm范围内，利用小锤轻敲击指接单元任意位置。通过傅立叶转换频谱仪获得指接单元的基本自振频率，然后计算出弯曲弹性模量。例如，在本发明的一具体实施方案中，是通过上述横向振动法测量杉木指接单元的基本自振频率并优选利用下式(I)计算出弯曲弹性模量：
E＝0.95L⁴f²ρ/h²    式(I)
式中：E为弯曲弹性模量，单位Pa；
      L为试件(指接单元)长度，单位m；
      f为基本自振频率，单位Hz；
      ρ为试件密度，单位kg/m³；
      h为试件高度，单位m。
利用本发明的上述优选方案，能够较为准确地计算得到指接单元的弯曲弹性模量。
其次，根据各指接单元的弯曲弹性模量将指接单元分成等级组。具体实施时，可以先根据所制造指接材的最终用途确定目标等级的弹性模量平均值，然后按照目标等级弹性模量平均值，确定各等级的弹性模量上、下界限值。具体确定方法可以遵循以下原则：①每一等级对应的弹性模量区间下限值(即最小值)大于等于目标等级弹性模量平均值的0.80～0.90倍(即E_min≥(0.80～0.90)×E_ave)；即，每一等级内各指接单元的弯曲弹性模量均大于等于该目标等级弯曲弹性模量平均值的0.80～0.90倍；②每一等级可以不设最高值，但出于经济利益等方面考虑，每一等级对应的弹性模量区间上限值(即最大值)最好小于等于高一等级的下限值(即E_g，max≤E_g+1，min)，最高等级不设最高值。对指接单元分等后标记每个等级组。
(3)将指接单元的指接端立放进行铣齿。发明人在研究中发现，指接齿的长度是影响本发明最终指接规格材结构性能的关键参数之一。本发明中，优选所述指接齿为长20mm～35mm的长齿。虽然通常认为，在保证其他参数不变的情况下指接齿越长其结构性能越大，但是本发明的研究表明，利用本发明的指接工艺，随着齿长的增大，指接规格材的结构性能仅有微弱增长，表明利用本发明的工艺可消弱齿长对指接规格材结构性能的作用。考虑到短齿在制造加工和指接工艺方面优于长齿，因此，根据本发明的更优选实施方案，可以适当降低齿长提高等级组合来获得高结构性能的目的，本发明中更优选的齿长为20mm～30mm。根据本发明的更优选方案，是按照0.2～0.4mm嵌合度(t)铣齿，齿斜度1/9～1/13。适于本发明的指榫结构类型为V型，本发明对指榫的其他结构参数无特殊要求。
(4)将同等级的铣齿后的指接单元进行指接。每一指接材中各指接单元的长度应一致。本发明中，优选使用结构用胶间苯二酚-甲醛或水性高分子异氰酸酯树脂胶，进行单面涂刷，单面涂胶量控制在0.2～0.4g/cm²。涂胶后，将同等级的指接单元在纵向接长指接机上进行室温(20～30℃)指接。指接端压对于本领域的技术人员而言可以按照现有技术的记载，根据齿长和树种来确定。根据本发明的优选实施方案，是按照指接端压为齿长的幂函数关系确定指接时的指接端压，例如人工林杉木端压(p，单位MPa)可按齿长(l，单位mm)的-0.434次方再乘以30.938倍计算出理论最佳值，实际操作时的端压可根据实际情况在该理论最佳端压的基础上进行小幅度的适当调整。本发明中，将指接材在指接机上保持压力20～30s达到初期固化后，再堆积养生18～24h(常温堆积养生即可)，即可得到本发明的指接规格材成品。
利用本发明的上述指接工艺，可以将不同等级组的规格材组合制造成指接规格材。发明人通过大量的实验，对大批量的指接规格材成品的力学性能进行测试，并经分析研究后发现，本发明制造出的不同等级组合指接规格材弯曲弹性模量、抗弯强度和抗拉强度等力学性能标准值与指接单元的平均值或标准值(该标准值是弹性模量概率分布曲线的5％分位值，为平均值的0.80倍)之间符合一定的函数关系。本发明中，该指接规格材的弯曲弹性模量标准值为指接单元弯曲弹性模量平均值(目标等级弯曲弹性模量平均值)的0.80～0.95倍，抗弯强度和抗拉强度标准值为指接单元标准值(该标准值对于所属领域的技术人员而言可以根据现有技术的记载如通过查阅《木结构设计规范(GB50005-2005)》而确定)的0.7～0.9倍。所述的倍数关系具体根据不同高低等级组合而有一些差异，例如，为低等级(例如弹性模量平均值8～9GPa)组合制造的指接规格材，弹性模量标准值为指接单元平均值的0.88～0.95倍，其它力学性能如抗弯强度和抗拉强度等标准值为指接单元标准值的0.8～0.9倍；而高等级(例如弹性模量平均值11～13GPa)组合制造的指接规格材，弹性模量标准值为指接单元平均值的0.80～0.92倍，其它力学性能如抗弯强度和抗拉强度等标准值为指接单元标准值的0.7～0.8倍。从而，本发明制造出的不同等级组合指接规格材弯曲弹性模量、抗弯强度和抗拉强度等力学性能标准值可以利用指接单元的平均值或标准值进行结构设计使用，而不必需要再经过力学性能测试来确定标准值。更进一步，发明人在研究中还发现，本发明制造出的指接规格材，其抗弯强度标准值也可以根据其弯曲弹性模量进行估算，而不必须先查找确定指接单元抗弯强度标准值再进行换算。
另外，本发明中，单一指接规格材中指接单元的数目对指接规格材产品的性能参数无显著影响。
本发明的指接规格材，具有良好的结构性能，可以直接用于木结构墙体墙骨柱，还可以作为翼缘或上下弦制造工字梁和木桁架梁，进一步使用在木结构建筑或其它建筑中。
综上所述，本发明主要是利用机械应力分等材作为指接单元，将指接端铣成结构长齿，利用结构用胶端压指接，定向制造出符合结构设计要求的指接规格材。利用本发明的技术，工艺简单，且可提高木材利用率，可以提高最终产品的结构性能，提高其力学性能稳定性及减少变异性。并且，本发明的指接规格材，其弯曲弹性模量、抗弯强度和抗拉强度等力学性能标准值可以利用指接单元的平均值或标准值进行结构设计使用，不必须再经过力学性能测试来确定。本发明的指接规格材可作为结构用指接规格材。
附图说明
图1为本发明的指接规格材的静态抗弯弹性模量与抗弯强度关系图表。
具体实施方式
以下结合具体实施方案和实施例对本发明做进一步详细说明，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的技术实质和所能产生的有益效果，不能理解为对本发明实施范围的任何限定。
实施例
将非标准长度的人工林杉木规格材(由胸径20～35cm的原木锯截得到)截成定长0.5～1m的规格材作为指接单元，指接单元的含水率应控制在10％～15％之间，截面尺寸45mm×90mm，规格材指接端往里5cm内没有节子、开裂等降等缺陷。
根据本实施例的人工林杉木指接材最终用于墙骨，确定目标等级定为8.5GPa(L等级)和11GPa(H等级)。本实施例中，人工林杉木选择0.88作为倍数，确定H等级的弹性模量范围9.7GPa以上，L等级的弹性模量范围9.7GPa以下、7.5GPa以上。
将指接单元两端悬挂于弹性皮筋上，支点位置位于相应端部往里5～20cm范围内。将传感器放于距端部5cm范围内，利用小锤轻敲击指接单元任意位置。通过傅立叶转换频谱仪(AD3542FFT Analyzer)获得指接单元的基本自振频率，并利用下式(I)计算出弯曲弹性模量：
E＝0.95L⁴f²ρ/h²    式(I)
式中：E为弯曲弹性模量，单位Pa；
      L为试件(指接单元)长度，单位m；
      f为基本自振频率，单位Hz；
      ρ为试件密度，单位kg/m³；
      h为试件高度，单位m。
根据所测定指接单元的弯曲弹性模量，按照各等级弹性模量区间，对指接单元分等，并选取符合L等级(低等级)的指接单元随机分为L1与L2两组，选取符合H等级(高等级)的指接单元随机分为H1与H2两组，其中，L1组与H1组是采用间苯二酚-甲醛树脂胶作为结构用胶，L2组与H2组采用水性高分子异氰酸酯树脂胶作为结构用胶。本实施例中，每等级组内各指接材均是由两指接单元对接而成。各组指接材数量及指接单元含水率及平均弹性模量(该组内各指接单元弯曲弹性模量的平均值)、抗弯强度标准值、抗拉强度标准值参见下表所示。