兴安落叶松胶合木柱力学性能试验研究

周红梅

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院,湖南 长沙 410004)



兴安落叶松胶合木柱力学性能试验研究

周红梅

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院,湖南 长沙 410004)

该文以兴安叶松为原料,依据木结构设计规范对国产落叶松动弹性模量和静弹性模量进行研究.采用应力应变片与应力波法分别测定其静态、动态弹性模量,结果表明:静弹性模量是动弹性模量的1.23倍.图2,表4,参9.

落叶松;胶合木;力学性能

木结构是由木材或主要由木材承受荷载的结构,通过各种金属连接件或榫卯手段进行连接和固定[1].落叶松胶合木纵向强度高、耐腐朽,力学性能稳定、抗压及抗弯曲的强度大,能承受拉力、压力、剪力、弯曲、扭矩的作用,按照《木结构试验方法标准》[2]和《木结构设计规范》GB50005—2012[3]选取试件测试木结构的力学性能.

静弹性模量采用应力应变片进行测定,试验结果精确、可靠度高.在以现代木构件为测定对象时,需要制作试件稍显麻烦.以应力波为原理的动弹性模量测定方法,仪器易于携带、操作简单,无需制作试件,特别是测定的古建筑弹性模量时具有较大优势.但数据误差较大,无法确切反应木材弹性模量.该文建立了落叶松胶合木构件静弹性模量与动弹性模量之间的关系,为在不同条件下弹性模量的测定提供了科学依据,具有实用意义.

1 材料与方法

1)东北落叶松,参考《木材含水率测定方法》GB/T 1931—2009[4]测定其含水率为11.2%;参考GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》[5]测定其密度为0.64 kg/m3.

2)间苯二酚甲醛树脂胶粘剂,采用双面施胶,测得施胶量为190 g/m2.

弹性模量是固体材料在弹性范围内正应力与相应正应变的比值,反映了固体抵抗外力产生变形的能力,也是表征木材力学性能最基本、最重要的指标之一[6].

2 落叶松胶合木静弹性模量测定试验

2.1 原理及仪器

木材为粘弹性材料,在弹性范围内,对木材施加压力会产生相应的变形,利用式(1)[7]计算木材的静弹性模量.

(1)

式中,E—静弹性模量

σ—应力

ε—应变

F—荷载

A—受压面面积

采用微机控电液伺服压力试验机、静弹性模量数据接收器、标距为100 mm的电阻应变片、502胶、直径20 mm的电线及电焊器来完成落叶松胶合木试件静弹性模量的试验.

2.2 测定方法

选取3组(A、B、C组)尺寸分别137 mm×137 mm×500 mm,105 mm×105 mm×500 mm、105 mm×120 mm×500 mm落叶松胶合木试件,顺纹截面上沿纵向中轴线粘贴标距为100 mm的电阻应变片,电阻应变片一端焊接接线端子,再将电线的一端焊接在接线端子上,另一端则于数据采集器连接,数据采集器与电脑相连,读取来自电脑存储的数据(荷载及对应的应变).先预加载至20 kN,往复3次使试件进入工作状态后卸载至0 kN.然后以2 mm/min的速度缓慢加载直至获取系列数据,停止加载.

2.3 测定结果及分析

整理数据采集器存储的荷载-应变值,采用数值分析软件进行一元线性回归,结果如表1所示,拟合曲线如图1所示.

表1 荷载与应变的线性回归方程Tab.1 Linear regression equation of load and strain

注:**表示0.001水平显著.

图1 试件的荷载-应变拟合曲线Fig.1 The load-strain fitting curve of specimens注:上曲线为试验值,下曲线为拟合曲线;纵坐标单位为kN,横坐标单位为μm.

回归分析结果表明,弹性范围内落叶松胶合木的荷载与应变之间均具有显著的相关性,但相关性是否显著与受压截面面积大小无关.

A组试件刚度约在0.23～0.29之间;B组试件刚度约在0.12～0.20之间.因此,A组试件刚度大于B组试件,与受压截面面积大小有关.

进步一处理表1数据,应用式(1)计算试件的静弹性模量,每组试件静弹性模量列于表2中.

表2 落叶松胶合木静弹性模量Tab.2 The static modulus of elasticity of Dahurian Larch glulam

表2可知,三组不同横截面尺寸的静弹性模量有所差别,横截面尺寸大的弹性模量反而小:A组

通过测定三组落叶松胶合木的静弹性模量,计算所得其值大小为14.48 Gpa.

3 落叶松胶合木动弹性模量测定试验

3.1 原理及仪器

木材的声学特性是应力波测定弹性模量的物理基础.其中,纵向应力波法则主要用于测定木材的动弹性模量,预测木材的力学性能[8,9].选用FAKOPP 2D仪测动态模量.

3.2 测定方法

选用尺寸分别为137 mm×137 mm×500 mm,105 mm×105 mm×500 mm(A、B组)落叶松胶合木试件,将FAKOPP 2D仪器两端的传感器沿长度方向钉入试样,使其角度α≤45°.用仪器配置的小锤敲击其中一端的传感器,应力波通过试样内部传给另一端的传感器,并在仪器上显示应力波传播的时间t.以下公式可求得动态弹性模量[9].

Ed=ρgν2g103

(2)

式中,Ed为木材动弹性模量,单位为Mpa

ρ为木材的密度,单位为g/cm3

ν为应力波速度,单位为m/s

试验在选取测试点时不但考虑可能存在的缺陷、细裂缝,而且将胶层作为影响因素之一,因此沿着顺纹方向(绿色)、横观沿边长方向(黄色)及体对角线方向(红色)布置测试点,测试点的布置方法如图2所示.

图2 测试点布置图Fig.2 The arrangement drawings of test points

3.3 测定结果及分析

1)横观各向同性.分别计算不同方向的动弹性模量,计算结果如表3所示.由此表可知Ez>Ex≈Ey,反映了落叶松胶合木的横观各向同性.

表3 落叶松胶合木试件不同方向的动弹性模量Tab.3The dynamic elastic modulus of the differentdirections of larch glulam specimens

注:Ez—顺纹动弹性模量;Ex—横观x轴方向动弹性模量;Ey—横观y轴方向动弹性模量;Ed—对角线方向弹性模量;Exy—横观各向同性弹性模量.

2)对角线方向.为了确定应力波传播最准确的路径,计算Exy、Ed、Ez的标准差、平均值标准误差及变异系数,结果如表4所示.

表4 Exy、Ed、Ez的标准差、平均值标准误差及变异系数Tab.4Standard deviation,average deviation andcoefficient of variation of Exy、Ed、Ez

整理表4数据,有

Ez/Ed=1.68

由表4可知,对于变异系数,顺纹>对角线>横纹.因此沿对角线布置测试点准确性高于直接沿顺纹测定,且前者考虑了胶层对动弹性模量的影响,更真实的反应构件整体的弹性模量.

4 静弹性模量与动弹性模量的对比分析

该研究分别采用应力应变片、应力波对落叶松胶合木进行了静、动态弹性模量的测定,且计算出顺纹方向静弹性模量ES=14.48Gpa,动弹性模量ED=11.95Gpa.易知,两者相关系数r为:

(3)

即

ES=1.23ED

且

(4)

上式说明,在气干常温常湿度情况下,落叶松胶合木材顺纹方向静弹性模量比动弹性模量的8%左右.静弹性模量、动弹性模量不仅在数值上存在相关性.

5 结 论

1)落叶松胶合木顺纹方向静弹性模量为ES=14.48 Gpa;横截面尺寸与静弹性模量成负相关性.

2)落叶松胶合木顺纹方向动弹性模量ED=11.95 Gpa,且Ey/Ex=1.02,Ez/Ex=14.57,Ez/Ey=14.23,因此可以将Ex与Ey看做方向互相垂直的等值弹性模量,证明了落叶松胶合木横观各向同性的特征.

3)对角线方向动弹性模量为Ed=7.11 Gpa;与顺纹方向动弹性模量Ez、横观方向Exy均具有相关性:Ez/Ed=1.68,Exy/Ed=0.12;Ed

4)在气干常温常湿度情况下,落叶松胶合木顺纹方向静弹性模量比动弹性模量的8%左右;顺纹方向静弹性模量ES与动弹性模量ED的相关系数r为1.23,即ES=1.23ED;利用落叶松胶合木的动弹性模量推算静弹性模量,简便又准确.

[1] 王智恒,杨小军.我国现代木结构建筑的现状与发展综述[J].木工机床,2010,(2):5-8.WANGZhi-heng,YANGXiao-jun.ThepresentsituationandthedevelopmentofChina'smoderntimberworkbuildingreview[J].Journalofwoodworkingmachine, 2010,(2):5-8.

[2]GB/T50329—2012,木结构试验方法标准[S].GB/T50329-2012,Timberworktestmethodstandard[S].

[3]GB50005—2003,木结构设计规范[S].GB50005—2003,Thecodefordesignoftimberstructures[S].

[4]G/T1931—2009,木材含水率测定方法[S].G/T1931-2009,Lumbermoisturecontentmeasuringmethod[S].

[5]GB/T1933—2009,木材密度测定方法[S].GB/T1933—2009,Wooddensitydeterminationmethod[S].

[6]ASTMC1419—1999a(2009),声波速度的标准测试方法[S].ASTMC1419—1999a(2009),StandardTestMethodforSonicVelocity[S].

[7] 孙训芳.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2006.SUNXun-fang.Materialmechanics[M].Beijing:Highereducationpress, 2006.

[8] 成俊卿.木材学[M].北京:中国林业出版社,1985.CHENGJun-qing.WoodScience[M].Beijing:Chinaforestrypublishinghouse,1985.

[9] 刘镇波,刘一星,于海鹏等.实木板材的动态弹性模量检测[J].林业科学,2005,(6):126-131.LIUZhen-bo,LIUYi-xing,YUHai-peng,etal.ResearchontheDynamicModulusofElasticityMeasurementofLumber[J].Journalofforestryscience, 2005,(6):126-131.

Biography：ZHOU Hong-mei,female, born in 1989,master graduate student,major in timberwork basic research.

Experimental Research on Mechanical Properties of Dahurian Larch Glulam

ZHOU Hong-mei

(Civil Engineering and Mechanics College,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China)

This paper,taking Dahurian Larch as the raw material,studies the dynamic and static modulus of elasticity of Dahurian Larch according to the code for design of timber structures.With the method of stress-strain gauge and stress wave,the result shows that the static modulus of elasticity is 1.23 as much as the dynamic modulus of elasticity.2figs.,4tabs.,9refs.

Dahurian Larch; Glulam; Mechanical Properties

2015-03-09

林业公益性行业科研专项经费项目(编号:201304504-1)

周红梅(1989-),女,湖南邵东县人,硕士研究生,研究方向:木结构基础研究.

2095-7300(2015)01-011-04

TU366.2

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