周佳樂(lè)，馮 新，周先雁

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

落葉松膠合木力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周佳樂(lè)，馮 新，周先雁

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

落葉松膠合木是一種對(duì)其鋸材進(jìn)行加工形成的工程復(fù)合材，為研究其基本力學(xué)性能和工程適用性，對(duì)落葉松木材試件進(jìn)行抗拉、抗壓及抗彎等試驗(yàn)研究，分析了其破壞形態(tài)及機(jī)理，得到了落葉松膠合木的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度及彈性模量。結(jié)果表明：落葉松膠合木抗壓和抗彎試件經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞3個(gè)階段，表現(xiàn)為塑性破壞；抗拉試件沒(méi)有明顯的屈服階段，表現(xiàn)為脆性破壞。基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，結(jié)合木結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出了落葉松膠合木設(shè)計(jì)建議值，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

落葉松膠合木；力學(xué)性能；強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；試驗(yàn)研究

膠合木是以小徑材和速生原木為主要材料，對(duì)原木進(jìn)行切割、刨光等加工，再經(jīng)指接、膠合、層壓等技術(shù)處理后形成的一種工程復(fù)合材。原木因其自身存在木節(jié)和斜紋等缺陷，致使木結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用受到了很大程度的制約[1]。隨著膠合木技術(shù)的出現(xiàn)及推廣，使得木結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了小材大用、劣材優(yōu)用[2]。歐美等國(guó)家對(duì)膠合木進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)已廣泛運(yùn)用于房屋建筑、大型體育館以及橋梁建筑當(dāng)中[3-5]。

木材是多孔，不均勻的各項(xiàng)異性材料，在拉應(yīng)力和剪力的作用下表現(xiàn)為脆性破壞；而在壓應(yīng)力的作用下表現(xiàn)為塑性破壞，拉壓強(qiáng)度相差較大，本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜[6]，且目前國(guó)內(nèi)對(duì)落葉松膠合木基本力學(xué)性能研究較少。

本研究采用落葉松鋸材加工制作成膠合木試件，以15個(gè)試驗(yàn)試件為一組，根據(jù)此類構(gòu)件在受拉、受壓和受彎情況下的試驗(yàn)結(jié)果，研究其物理力學(xué)性質(zhì)及破壞形態(tài)，揭示了落葉松膠合木在順紋和橫紋方向不同受力情況下的本構(gòu)關(guān)系，為此類材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工程運(yùn)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本研究試驗(yàn)材料為興安落葉松，試件設(shè)計(jì)按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50329-2012）、《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》（GB/T 1928-2009）和美國(guó)《木材無(wú)疵小試件的試驗(yàn)方法》（ASTM D143-94)[7]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 材料性能

試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)的物理性能相關(guān)指標(biāo)詳見表1。

表1 落葉松木材物理性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值Table 1 Physical performance index measured values of larch glulam

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備及加載方式：試驗(yàn)設(shè)備采用型號(hào)CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和SHT4305微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。電子引伸計(jì)：標(biāo)距50 mm。采用連續(xù)加載方式，在試驗(yàn)開始前，測(cè)量各個(gè)試樣的尺寸，精確至0.1 mm。

對(duì)于彈性模量測(cè)試：（1）抗壓彈性模量測(cè)試：先加載至下限，以均勻加載至上限，如此反復(fù)6次，取上、下限變形值的平均值，通過(guò)相應(yīng)公式計(jì)算其彈性模量；（2）抗彎彈性模量測(cè)試：采用弦向加載，使用百分表讀取變形值，先加載至荷載下限（300 N）然后勻速加載至荷載上限（700 N），反復(fù)3次。加載速度取1 mm/min為宜[8]；對(duì)于強(qiáng)度測(cè)試：試驗(yàn)以均勻的速度加載，在1.5 ～2 min內(nèi)使試樣破壞。

2 破壞形態(tài)與機(jī)理分析

2.1 順紋抗拉試驗(yàn)

在試驗(yàn)初期，試件處于彈性工作階段，變形隨著荷載的增加而增加，試件僅發(fā)生微小的變形。試驗(yàn)后期，隨著荷載的繼續(xù)增加，沿著木材順紋長(zhǎng)度方向纖維在微纖維之間撕開，微纖維之間產(chǎn)生滑移使得微纖維撕裂破壞，并伴有微纖維斷裂的響聲。當(dāng)荷載接近其臨界荷載時(shí)，斷裂處面積迅速發(fā)展導(dǎo)致突然斷裂，并發(fā)出較大的斷裂聲，屬于脆性斷裂破壞，破壞面呈鋸齒狀。試件的破壞模式如圖1所示。

圖1 順紋抗拉破壞Fig. 1 Tensile failure modes of parallel to grain

2.2 抗壓試驗(yàn)

2.2.1 順紋抗壓試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中，試件主要經(jīng)歷3個(gè)階段：加載初期，變形隨荷載的增加而增加，試件變形較小，二者呈線性關(guān)系；隨著荷載的繼續(xù)增加，試件中部開始出現(xiàn)裂縫，并有沿著斜上方繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，試件變形增大；在加載后期，試件出現(xiàn)塑性變形，裂縫沿斜向上擴(kuò)展，直至試件破壞。試件破壞形式主要以剪切和壓披為主，典型破壞形式見圖2。

圖2 順紋抗壓破壞Fig. 2 Compressive failure modes of parallel to grain

2.2.2 橫紋抗壓試驗(yàn)

試件橫紋抗壓試驗(yàn)包括徑向抗壓和弦向抗壓試驗(yàn)。在徑向試驗(yàn)過(guò)程中，試件經(jīng)過(guò)彈性階段后，隨著荷載的繼續(xù)增加，試件中部局部出現(xiàn)凸起并有褶皺，繼續(xù)增加荷載直至破壞試件出現(xiàn)扭曲而破壞；在弦向試驗(yàn)過(guò)程中，試件加載初期處于彈性變形階段，繼續(xù)增加荷載，試件中部開始出現(xiàn)塑性變形，變形沿著試件徑向方向發(fā)展出現(xiàn)側(cè)向位移，直至試件破壞。試件破壞形式分別見圖3。

2.3 順紋抗彎試驗(yàn)

圖3 橫紋徑向和弦向抗壓破壞Fig. 3 Radial and tangential compressive failure modes

加載方式：弦向中央加載。前期為彈性階段，隨后試件進(jìn)入塑性變形階段，上部木纖維因壓應(yīng)力而縮短，下部纖維應(yīng)拉應(yīng)力而伸長(zhǎng)，中間存在木纖維既不伸長(zhǎng)也不縮短的中性層。結(jié)合表2、圖7和圖8可知，順紋抗拉強(qiáng)度為91.7 MPa，抗壓強(qiáng)度為38.3 MPa，當(dāng)上部纖維壓應(yīng)力達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，下部纖維仍處于彈性受拉階段，繼續(xù)增加荷載，當(dāng)下部纖維達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，上部纖維處于塑性變形階段，試件因下部纖維受拉破壞，表現(xiàn)為脆性破壞（見圖4）。

圖4 順紋抗彎破壞Fig.4 Bending failure modes of parallel to grain

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)所得落葉松基本力學(xué)性能指標(biāo)詳見表2。

表2 落葉松木材試件力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical performance index of larch glulam

從上述圖中可以看出，順紋、橫紋各項(xiàng)試驗(yàn)中各試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀、走勢(shì)基本相同，但也有個(gè)別離散程度較大。其中主要是由于木材材料的差異性，木材的力學(xué)性能受到樹種、紋理方向、年輪等因素的影響，具有一定的差異性，因此在使用木材的數(shù)值時(shí)不僅僅考慮的是其平均值，也須考慮其變動(dòng)值。

圖5為順紋抗拉試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，順紋抗拉試件只有彈性階段而沒(méi)有明顯屈服階段，當(dāng)荷載增加到破壞荷載時(shí)，即極限應(yīng)變范圍為0.005 8～0.009 με順紋抗壓試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，當(dāng)應(yīng)變處于0～0.016 με范圍內(nèi)時(shí)，試件處于彈性階段，應(yīng)變處于0.016～0.025 με范圍內(nèi)時(shí)，試件進(jìn)入塑性變形階段，在此階段應(yīng)變變化較快，應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)；且圖6試件8體現(xiàn)了較大的差異性，在計(jì)算試件強(qiáng)度和彈性模量值時(shí)，予以舍棄。

圖5 順紋抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Tensile stress-strain curve of parallel to grain

圖6 順紋抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Compressive stress-strain curve of parallel to grain

圖7 橫紋徑向抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Compressive stress-strain curve of radial direction

圖8 橫紋弦向抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 8 Compressive stress-strain curve of tangential direction

圖7和圖8為橫紋徑向和弦向抗壓試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，木材的橫紋抗壓強(qiáng)度測(cè)定不出最大壓縮荷載，因此只能測(cè)定比例極限強(qiáng)度[9]。橫紋徑向、弦向受壓試驗(yàn)設(shè)置了終止條件，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得橫紋徑向和弦向試件彈性階段應(yīng)變范圍分別為0～0.035 με和0～0.015 με，彈性極限強(qiáng)度值分別為4.4 MPa和3.1 MPa。

圖9為抗彎試件位移-曲線圖，當(dāng)跨中位移在0～3.87 mm范圍內(nèi)時(shí)，試件處于彈性階段，當(dāng)跨中位移在3.87～8.15 mm范圍內(nèi)時(shí)，試件處于彈塑性變形階段，在此階段應(yīng)變?cè)黾虞^快，隨后試件突然發(fā)生脆性破壞。

圖9 抗彎試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig. 9 Load-deflection curve of bending test

4 力學(xué)性能及設(shè)計(jì)值

由于標(biāo)準(zhǔn)小試件與實(shí)際使用中的木構(gòu)件尺寸、質(zhì)地、荷載情況均有極大的差別。因此，在實(shí)驗(yàn)室求得的木材強(qiáng)度，不能直接用于木構(gòu)件的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮各種因素對(duì)木構(gòu)件正常工作的不利影響，將木材強(qiáng)度予以合理的折減，方可作為木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的木材計(jì)算強(qiáng)度。

4.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法（MFLSD）

目前，我國(guó)的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠度指標(biāo)β度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式。這種設(shè)計(jì)方法是確定性設(shè)計(jì)表達(dá)式和半經(jīng)驗(yàn)半概率系數(shù)的結(jié)合。

式（1）、式（2）中：γR為抗力分項(xiàng)系數(shù)；KP為方程精確性影響系數(shù)；KA為尺寸誤差影響系數(shù)；KQ為構(gòu)件材料強(qiáng)度折減系數(shù)；KQ1為天然缺陷影響系數(shù)；KQ2為干燥缺陷影響系數(shù)；KQ3為長(zhǎng)期受荷強(qiáng)度折減系數(shù)；KQ4為尺寸影響系數(shù)，系數(shù)按表3取值。

4.2 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法（ASD）

目前，我國(guó)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的木材容許應(yīng)力法[11]是根據(jù)多年來(lái)國(guó)產(chǎn)木材材性研究的結(jié)果，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次方法上的改進(jìn)而確定的，是可行安全的。

式（3）中：σ12-含水率為12%時(shí)的強(qiáng)度平均值；K1-木材強(qiáng)度變異系數(shù)；K2-長(zhǎng)期荷載系數(shù)；K3-木材缺陷系數(shù)；K4-干燥缺陷系數(shù)；K5-應(yīng)力集中系數(shù)；K6-超載系數(shù)；K7-結(jié)構(gòu)偏差系數(shù)，系數(shù)按表4取值。

根據(jù)無(wú)疵小試件的試驗(yàn)結(jié)果，分別采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法和容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出落葉松膠合木設(shè)計(jì)值，如表5所示。通過(guò)比較分析可得，順紋抗拉和抗壓容許應(yīng)力值分別為極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的36.7%和63.8%；橫紋弦向和徑向抗壓容許應(yīng)力值分別為極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的43.9%和44.1%；抗彎強(qiáng)度為78.7%.由對(duì)比分析可知，容許應(yīng)力法對(duì)木材強(qiáng)度的折減較大，過(guò)于偏安全考慮，建議采用極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

表3 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法折減系數(shù)Table 3 Reduction coefficient of limit states design method

表4 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法折減系數(shù)Table 4 Reduction coefficient of allowable stress design

表5 落葉松膠合木設(shè)計(jì)值Table 5 Design value of larch glulam

表6給出了落葉松和不同進(jìn)口規(guī)格材力學(xué)性能對(duì)比，結(jié)果表明國(guó)產(chǎn)落葉松在力學(xué)性能方面完全能與美國(guó)花旗松、南方松等相媲美，甚至在順紋抗拉性能上比進(jìn)口規(guī)格材表現(xiàn)更好，能滿足建筑結(jié)構(gòu)對(duì)落葉松力學(xué)性能的要求。

表6 不同樹種力學(xué)性能對(duì)比?Table 6 Mechanical property comparison of different tree species

5 結(jié) 論

（1）落葉松膠合木試件，其抗拉試件只有彈性變形，極限應(yīng)變范圍為0. 005 8～0.009 0 με，試件表現(xiàn)為脆性破壞；順紋抗壓試件過(guò)程具有3個(gè)階段：彈性階段、塑性階段和破壞階段，極限應(yīng)變?yōu)?.025με，破壞特征為塑性破壞；橫紋的徑向、弦向抗壓試件過(guò)程同樣具有3個(gè)階段，彈性階段應(yīng)變范圍分別為 0～0.035 με和0～0.015 με；抗彎試件同樣具有3個(gè)階段，抗彎強(qiáng)度為90.0 MPa，然而其抗彎試件破壞是由于試件下部纖維抗拉破壞而形成，故其破壞形式表現(xiàn)為脆性破壞。

（2）落葉松木材橫紋弦向和徑向力學(xué)性能比較接近，弦向強(qiáng)度為徑向強(qiáng)度的76%，彈性模量為73.6%。橫紋徑向和弦向受壓屈曲破壞形式有著明顯的不同：橫紋徑向試件受壓變形表現(xiàn)為中部局部出現(xiàn)凸起并有褶皺，試件破壞時(shí)出現(xiàn)扭曲；橫紋弦向試件受壓變形表現(xiàn)為試件中部出現(xiàn)塑性變形且變形沿著試件徑向方向發(fā)展出現(xiàn)側(cè)向位移。從抗壓強(qiáng)度方面來(lái)看，木材可假設(shè)為橫觀各向同性材料。

（3）容許應(yīng)力法對(duì)木材各力學(xué)性能強(qiáng)度折減較大，不能充分發(fā)揮材料的性能，建議采用極限狀態(tài)法折減所得強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（4）試驗(yàn)得到了落葉松木材抗拉和抗壓力學(xué)性能參數(shù)，但復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下木材力學(xué)性能需考慮木材的抗剪性能、不同方向的泊松比以及塑性階段變形發(fā)展，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

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Experimental research on mechanical properties of larch glulam

ZHOU Jia-le, FENG Xin, ZHOU Xian-yan
(College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Glulam is a type of engineering composites made of processing the larch sawntimber. This paper focused on the fundamental mechanical properties of larch glulam and engineering applicability. Through analyzing failure mode and mechanism of tensile,compressive and transverse test, the value of fundamental mechanical properties was studied. The results showed that the compressive samples and tensile samples pass through elastic, elastic-plastic and failure phase, reflecting as plastic failure. Bending specimens haven’t obvious yield stage, reflecting as brittle failure. On the basis of experimental results and theoretical analysis, combining with related wood design standards, the design value of strength and the reference of practical engineering application was given.

larch glulam; mechanical properties; design value of strength; experimental research

S718.2

A

1673-923X(2016)08-0125-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.022

2015-11-02

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)（2014DFA53120）；湖南省教育廳一般科研項(xiàng)目（15C1419）；中南林業(yè)科技大學(xué)青年科學(xué)研究基金（QJ2012003B）

周佳樂(lè)，碩士研究生

周先雁，教授，博士生導(dǎo)師； E-mail：zxy560805@163.com

周佳樂(lè)，馮 新，周先雁.落葉松膠合木力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(8): 125-129, 135.

[本文編校：文鳳鳴]