落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓性能試驗(yàn)研究

戴桂華，周先雁

（1. 湖南省張花高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 張家界 427000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓性能試驗(yàn)研究

戴桂華1，周先雁2

（1. 湖南省張花高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 張家界 427000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

為研究落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓性能，選取落葉松為原材料制作膠合木試件，測定落葉松膠合木試件密度、含水率，進(jìn)行橫紋受壓性能試驗(yàn)，探討其破壞模式，并計(jì)算橫紋抗壓強(qiáng)度與橫紋抗壓彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果表明：落葉松橫紋受壓破壞為塑性破壞；密度為0.64 g/cm3的落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓比例極限強(qiáng)度為60.78 MPa；試件含水率為11.3%與12%時(shí)的橫紋抗壓彈性模量分別為：254.8 MPa, 245.0 MPa。

落葉松；膠合木構(gòu)件；橫紋受壓；比例極限；彈性模量

膠合木具有小材大用、劣材優(yōu)用、強(qiáng)度 特別適用于建造大跨度公共建筑及橋梁。作高等特點(diǎn)，是建造現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的重要材料, 為迄今唯一能制造出曲線型構(gòu)件的材料，膠合木的出現(xiàn)突破了只能設(shè)計(jì)直線型構(gòu)件的 拉伸強(qiáng)度，但受木節(jié)等缺陷的影響較小，因局限，使得建造曲線型場館及現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)拱橋等重型木結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)。在歐洲與北美，膠合木已有很長的發(fā)展歷史。1906年，赫茨在德國注冊的曲線型膠合構(gòu)件的專利標(biāo)志著拱形結(jié)構(gòu)膠合木應(yīng)用的真正開始。威斯康辛州Peshtigo市的學(xué)校和社區(qū)體育館設(shè)計(jì)的膠合拱形木屋蓋結(jié)構(gòu)是美國的第一座膠合的建筑。1940年威斯康辛州的Yahara河上的詹妮弗人行橋采用了兩榀24 m跨度的膠合拱。

近10年來，隨著輕型木結(jié)構(gòu)在我國的推廣，重型木結(jié)構(gòu)也迎來在國內(nèi)發(fā)展的契機(jī)。一座跨度為33 m的拱形木結(jié)構(gòu)人行橋于2004年在上海佘山建成。國內(nèi)學(xué)者已對膠合木構(gòu)件有所研究，并主要集中于其受彎、受拉及順紋受壓性能，對橫紋受壓性能的研究較少。木材的順紋壓縮強(qiáng)度雖稍低于橫紋此，在工程中廣泛應(yīng)用于柱、斜撐等承壓構(gòu)件[1]。落葉松是我國東北地區(qū)的主要林木，具有資源豐富，極其耐寒、材質(zhì)堅(jiān)韌、耐腐性好的特點(diǎn)，是力學(xué)性較強(qiáng)的木材。因此，本實(shí)驗(yàn)選取落葉松為原材料制作膠合木構(gòu)件，對落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓性能展開試驗(yàn)研究，并進(jìn)行數(shù)值模擬，對比兩者結(jié)果。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

選用尺寸為100 mm×30 mm×1 000 mm的東北落葉松鋸材作為原材料，以間苯二酚為膠黏劑，制作尺寸為120 mm×180 mm×120 mm膠合木試件。具體制作流程如圖1所示：

圖1 落葉松膠合木制作工藝流程Fig.1 Manufacturing-technology fl ow of larch glulam

1.2 試驗(yàn)方法

由于木材密度、含水率與受力性能密切相關(guān)，因此，在進(jìn)行落葉松構(gòu)件橫紋受壓試驗(yàn)前，需取得該批試件的密度參數(shù)。并在完成橫紋試驗(yàn)之后立即在破壞部位的附近切取含水率試件， 用烘干法進(jìn)行含水率測定。

1.2.1 密度的測定

木材密度對木材性能有很大影響，因此對橫紋受壓試件進(jìn)行密度測定。參考GB/T 1933～2009《木材密度測定方法》[2]，選取5個(gè)尺寸為120 mm×180 mm×120 mm的試件進(jìn)行測試。表1為試驗(yàn)測定的密度：

表1 試樣密度Table 1 Densities of specimens

1.2.2 橫紋受壓性能的測試

橫紋受壓試驗(yàn)按其受力方式分為全表面受壓、局部表面受壓、近端局部表面受壓[2]。本文僅進(jìn)行全表面受壓試驗(yàn)。根據(jù)GB/T50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]，將試件放置在300 KN萬能試驗(yàn)機(jī)上，且試件截面面積小于液壓機(jī)施加壓力面的面積；以5 mm/min的速率單調(diào)勻速加載，觀察試驗(yàn)機(jī)上的荷載-變形曲線，直到達(dá)到比例極限停止加載。加載前后的試件8如圖2、圖3所示：

圖2 加載前的試件 8Fig.2 Specimen 8 before loaded

1.2.3 含水率的測定

選取5個(gè)橫紋受壓性能測試完后的試件，在靠近試件兩端的試材上切取尺寸為120 mm×120 mm×15 mm的整截面小試件共5個(gè)[3]，參考GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》中的烘干法測定試件含水率[4]。小試件烘干前后的質(zhì)量如表2所示：

圖3 加載后的試件8Fig.3 Specimen 8 after loaded

表2 小試樣含水率Table 2 Moisture contents of small specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

在落葉松構(gòu)件橫紋抗壓試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：加載初期階段，荷載的增大，變形大，變形的速度快。這是由于木材本身的纖維受到擠壓變得更加密實(shí)，即荷載用于緊實(shí)木材材料本身并未產(chǎn)生抗力。隨著荷載的繼續(xù)增大，試件開始產(chǎn)生彈性變形，直到比例極限的出現(xiàn)。此過程中，變形與荷載呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。隨后荷載繼續(xù)增加，試件發(fā)生明顯的擠壓變形，如圖3所示，其每個(gè)層板的變形不一致。這是因?yàn)槟z合木每層層板的彈性模量不一致，所以發(fā)生的變形也不同。同時(shí)，超過比例極限的后期加載階段伴隨著木材壓潰的聲音，木節(jié)處出現(xiàn)開裂，荷載增量不大，變形卻顯著增加，表明此時(shí)木材的承載能力基本達(dá)到極限。另外，試件破壞后，試件側(cè)面無裂縫開展。因此，從試驗(yàn)破壞形態(tài)及荷載-位移曲線(見圖4)來看，落葉松膠合木構(gòu)件橫紋抗壓為擠壓破壞，屬于塑性破壞。

圖4 試件8的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of specimen 8

2.2 荷載-位移曲線

由于篇幅有限，只選取試件8的荷載位移曲線列出，如圖4所示。值得注意的是，試驗(yàn)時(shí)儀器所記錄的比例極限點(diǎn)不為計(jì)算的比例極限點(diǎn)，需按照以下方法確定比例極限點(diǎn)的坐標(biāo)位置：曲線上該點(diǎn)的切線與荷載軸夾角的正切值，應(yīng)取該曲線直線部分與荷載軸夾角的正切值的1.5倍，以該點(diǎn)坐標(biāo)對應(yīng)的荷載值作為該試件橫紋承壓的比例極限。

表3 比例極限強(qiáng)度Table 3 Strength of proportional limit

2.3 彈性模量

彈性模量是最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)，是物體彈性變形難以程度的表征[5]。因此計(jì)算試件的彈性模量是有意義的。GB/T1943-2009《木材橫紋受壓彈性模量測定方法》給出彈性模量的計(jì)算公式[6]：

式中，EW為試件含水率為W時(shí)的橫紋抗壓彈性模量，單位為兆帕（MPa）；ΔP為木材橫紋壓縮比例極限以內(nèi)上限與下限荷載之間兩點(diǎn)荷載只差，單位為牛（N）；l為標(biāo)定變形的基距，單位為毫米（mm）；b為試樣寬度，單位為毫米（mm）；t為試樣厚度，單位為毫米（mm）；Δl—ΔP相對應(yīng)的壓縮變形值，單位為毫米（mm）。

由于每次試驗(yàn)所用試件的含水率是變化的，大部分規(guī)范規(guī)定所用木材含水率10%～12%，因此本文采用如下公式求得含水率12%時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)彈性模量：

式中，E12為試樣含水率為12%時(shí)的橫紋抗壓彈性模量，單位為兆帕（MPa）；W為試樣含水率（%）。

根據(jù)含水率的不同，求得試件含水率為11.3%與12%時(shí)的橫紋抗壓彈性模量分別為：254.8 MPa,245.0 MPa，如表3所示。

3 結(jié) 論

（1）落葉松膠合木構(gòu)件橫紋抗壓破壞形態(tài)為擠壓破壞，屬于塑性破壞。

（2）落葉松膠合木構(gòu)件橫紋受壓比例極限強(qiáng)度為60.78 MPa，試件含水率為11.3%與12%時(shí)的橫紋抗壓彈性模量分別為：254.8 MPa，245.0 MPa。

[1] 孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來泰. 材料力學(xué)（I）[M]. 北京：高等教育出版社，2002，8.

[2] 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所. GB/T 1933-2009《木材密度測定方法》[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[3] 重慶大學(xué)土木工程院. GB/T50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[S]. 北京：中 國建筑工業(yè)出版社.

[4] 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所. GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[5] 徐曼瓊，鹿振友，李 黎，等. 火炬松木材的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度的變異[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,23(4):57-59

[6] 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所. GB/T 1943-2009《木材橫紋受壓彈性模量測定方法》[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

Experimental study on transverse striation compression performance of glue laminated wood member of larch

DAI Gui-hua1, ZHOU Xian-yan2
(1. Zhanghua Expressway Construction Development Co., Ltd., Zhangjiajie 427000, Hunan, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Larch wood was adopted as the materials to manufacture the glued-laminated (glulam) members for measuring their transverse striation compression performance. The determinations of density and moisture content of specimens were conducted, coordinating with the experiments of the transverse striation compression strength. Afterwards the failure forms are observed, meanwhile the compression strength perpendicular to grain and modulus of elasticity in compression perpendicular to grain can be obtained. It is turned out that the larch glulam under the compression perpendicular to grain behaveed mostly as the characteristics of plastic failure，and the compression strength perpendicular to grain was 60.78 MPa. The results also show that the elasticity modulus in compression perpendicular to grain was 254.8 MPa with the moisture content was 11.3%, while it was 245.0 MPa with the moisture content was 12%.

larch; glulam members; compression perpendicular to grain; proportional limit; elasticity modulus

S791.22

A

1673-923X(2012)12-0208-03

2012-06-13

國家林業(yè)局948項(xiàng)目（2010-4-14）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50978258）

戴桂華（1965- ），男，高級(jí)工程師，主要從事工程新材料的應(yīng)用研究，E-mail：649766027@qq.com

[本文編校：羅 列]