新疆楊木抗壓基本力學性能試驗研究

□ 譚鑫宇 劉 清 韓 霞 李亮翔

新疆楊木是新疆當地一種具有地域特色的樹種，生長周期短，抗大氣干旱，較耐鹽堿，具有出材率高的特點。但是新疆楊木與其他木材相同，力學性質都存在各向異性和變異性[1]，近年來，我國學者對木材性能做了大量研究，并將部分研究結果納入國家標準[2]。陶俊林等對靜力作用下木材大變形的本構關系進行了試驗研究[3]；曹麗芳等對5種木材的橫紋受壓破壞現象進行了試驗分析[4]；謝啟芳等試驗分析了落葉松受壓小試件在反復荷載作用下的應力—應變關系[5]。由上可知，目前主要針對落葉松、樟子松和山樟等樹種進行試驗及理論研究，而新疆楊木的基本力學性能研究較少。現行的《木結構設計標準》（GB/Τ 50005—2017）[6]中也尚未給出新疆楊木的抗壓力學性能參數。

本文以新疆楊木為研究對象，主要參照《木結構試驗方法標準》(GB/Τ 50329—2012)[7]、《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/Τ 1935—2009）[8]、《木材橫紋抗壓試驗方法》（GB/Τ 1939—2009）[9]制作試件，進行抗壓試驗，并對新疆楊木順紋方向、徑向、弦向，橫紋斜向的受壓破壞形式及抗壓強度進行了觀察分析，為研究新疆楊木柱、梁等構件承載力以及在土木工程中的應用提供一定的參考。

1 ??試驗概況

1.1 試件設計及制作

本試驗木材選取無明顯缺陷的新疆和田地區新疆楊木。根據《木材物理力學試驗方法總則》（GB/Τ 1928—2009）[10]、《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》（GB/Τ 1929—2009）[11]的相關規定制作試件，根據《木結構試驗方法標準》(GB/Τ 50329—2012)、《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗方法》（GB/Τ 1939—2009）的相關規定，制作15組試件，其中順紋方向3組、徑向3組、橫紋斜向30°3組、橫紋斜向60°3組、弦向3組，每組5個試件，試件編號如表1所示，橫紋斜向受壓試件具體尺寸及紋路如圖1所示。

圖1 橫紋斜向30°、60°抗壓強度試驗試件紋路方向及尺寸示意圖

表1 試件編號

1.2 加載方案

采用600kN微機控制電液伺服萬能試驗機（WAW—600），根據《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗方法》（GB/Τ 1939—2009）的規定，順紋抗壓強度和橫紋抗壓強度試驗加載方式均采用連續勻速位移加載，加載速度為2mm/min，其中順紋抗壓試驗當極限荷載下降到70%時終止加載；橫紋抗壓試驗位移加載至8mm～10mm時終止加載。

1.3 含水率試驗

根據《木材含水率測定方法》（GB/Τ 1931—2009）[12]，從原材料取樣制作5組含水率試件，每組3個，試件尺寸為20mm×20mm×20mm。測定設備采用電熱恒溫鼓風干燥箱（型號：101—3A）及電子秤根據公式（1）對含水率進行計算。

式中：W為試件含水率，m1為試件試驗時質量，m0為試件全干時質量。

計算得到試件試驗時含水率為9.01%。

2 ??試驗結果及分析

2.1 試件破壞現象

圖2為木材受壓破壞形態主要分為3種：（1）順紋受壓時，破壞現象為木材壓潰；（2）弦向受壓破壞時，試件發生塑性變形，表面未出現裂縫或褶皺；（3）橫紋斜向和徑向受壓時，破壞現象為試件沿早材薄弱處出現分層現象。

圖2 不同受壓方向破壞形態

如圖2（a）所示，順紋壓縮試件首先在試件中部出現橫向褶皺，隨著荷載的持續增加，褶皺不斷水平擴展，直至貫連，最終壓潰破壞；如圖2（b）所示，弦向壓縮試件早材和晚材一起變形，共同承受荷載，由于早材強度比晚材低，先開始壓潰，荷載逐漸由晚材承擔，試件發生塑性形變，表面沒有出現明顯的褶皺和裂縫；如圖2（c）、2（d）所示，橫紋斜向壓縮試件首先在早材和晚材相連接的薄弱處出現裂縫，隨著加載位移的增加，裂縫不斷擴展，最后沿薄弱處貫通，試件出現分層的現象，并且發生錯位；如圖2（e）所示，徑向壓縮試件破壞現象初期與橫紋斜向壓縮試件相似，先沿早材薄弱處出現分層現象，但是隨著加載位移的繼續增大，每一層木材都逐漸沿弦向向外鼓起。

2.2 荷載—位移曲線

如圖3所示，順紋受壓和橫紋受壓的荷載—位移曲線均存在彈性階段和塑性階段，但是順紋受壓試件在達到破壞荷載之后，荷載—位移曲線出現下降段；而橫紋受壓試件在塑性階段結束后，早材雖然被壓潰，但是晚材仍然能夠承擔荷載，隨著加載位移的持續增加，荷載繼續增大。

圖3 受壓荷載—位移曲線

順紋受壓荷載—位移曲線第一個階段為彈性階段，荷載與位移近似呈線性關系；第二個階段為塑性階段，由于試件部分木材壓潰，荷載增加速度逐漸降低，荷載—位移曲線呈非線性關系；第三個階段為荷載下降段，即達到極限荷載之后，試件破壞，隨著加載位移的持續增加，承載力開始下降。

橫紋弦向受壓受壓荷載—位移曲線同樣由3個階段組成。第一個階段為彈性階段，早、晚材一起變形，共同承擔荷載，荷載與位移近似呈線性關系；第二個階段為塑性階段，由于早材不斷壓潰，荷載逐漸由晚材承擔，荷載增加速度逐漸降低，荷載與位移呈非線性關系；第三個階段為密實化階段，該階段荷載主要由晚材承擔，隨著加載位移的持續增加，荷載不斷增大，且增加速度不斷加快[13]。

徑向受壓試件荷載—位移曲線同樣分為3個階段。第一個階段為彈性階段，荷載由早材細胞的彈性變形來承擔，荷載與位移近似呈線性關系[14]；第二個階段為塑性階段，由于早材不斷壓潰，荷載逐漸由晚材承擔，荷載與位移呈非線性關系；第三個階段為密實化階段，該階段荷載主要由晚材承擔，隨著加載位移的持續增加，荷載不斷增大。

橫紋斜向荷載—位移曲線在彈性階段差別不大，但是進入塑性階段后，曲線開始出現差異。原因是早材壓潰，試件在早材處出現分層現象，橫紋斜向30°、60°的試件分層后隨著加載位移的持續增加，試件沿早材壓潰處弦出現滑移，因為角度的不同，橫紋斜向30°的密實段與弦向相似，橫紋斜向60°的密實段與徑向相似。

2.3 強度

根據《木材順紋抗壓強度試驗方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗方法》（GB/Τ 1939—2009）規定，試件抗壓強度通過公式（2）、公式（3）計算獲得。

式中：σw，順紋、σw，橫紋分別為試樣的順紋、橫紋抗壓強度，單位為MPa；W為試樣含水率（%）；Pma×為試樣破壞荷載，單位為N；l、b、t分別為試件的長度、寬度、厚度，單位為mm。

通過公式（4）、公式（5）換算得到含水率為12%的強度值σ12，順紋、σ12，橫紋。

式中：σ12，順紋、σ12，橫紋分別為試樣含水率為12%時的順紋、橫紋抗壓強度，單位為MPa。

計算結果見表3。

表3 抗壓強度試驗結果匯總

根據我國主要樹種物理力學性能分級表的標準[15]，中等強度為34.4MPa～54.9MPa，新疆楊木順紋抗壓強度為50.3MPa。將新疆楊木橫紋抗壓強度與5種常見樹種進行比較[6]，見表4，圖4為對比曲線圖。

表4 抗壓強度試驗結果匯總

圖4 橫紋抗壓強度對比曲線圖

從表4和圖4可知，橫紋不同受壓方向下，新疆楊木與菠蘿格、塔利、山樟的橫紋抗壓強度均為徑向抗壓強度最大，弦向抗壓強度最小。但是新疆楊木與菠蘿格、塔利、山樟相比，橫紋弦向、徑向、斜向之間的抗壓強度差別較大。落葉松和樟子松的橫紋斜向抗壓強度最小，橫紋抗壓強度受紋路方向的影響較大。原因是落葉松、樟子松屬于針葉樹種，早材和晚材界限明顯，早材的強度要低于晚材。弦向受壓時，早材和晚材同步發生形變，共同承受荷載，所以抗壓強度更高；橫紋斜向受壓時，試件會沿早材、晚材相接的薄弱處出現分層、錯位破壞，所以強度較低。新疆楊木和菠蘿格、塔利、山樟皆為闊葉樹種，管孔肉眼可見，均勻分布在試件橫截面上，因此橫紋壓縮方向的不同，抗壓強度變化相差不大。

3 ??結論

（1）新疆楊木不同紋路方向單向受壓時破壞形式主要分3種形式：順紋受壓時的壓潰破壞；弦向受壓時的壓縮變形破壞；橫紋斜向和徑向受壓時的沿早材薄弱處分層、錯位破壞。

（2）順紋受壓荷載—位移曲線分為彈性階段和塑性階段，橫紋受壓荷載—位移曲線在試驗初期與順紋抗壓相似，但是在經過塑性階段后，荷載不會開始下降，而是進入密實階段，荷載繼續增大。

（3）新疆楊木順紋抗壓強度屬于中等標準。新疆楊木橫紋抗壓強度大于山樟、樟子松，橫紋受壓時，徑向、弦向、橫紋斜向抗壓強度之間的差異相較于樟子松和落葉松更低。