落叶松胶合木顺纹受压应力-应变关系研究

周先雁，曾 丹，曹 磊，王智丰

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

落叶松胶合木顺纹受压应力-应变关系研究

周先雁，曾 丹，曹 磊，王智丰

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

为探讨落叶松胶合木柱顺纹受压性能，对两组不同尺寸的落叶松胶合木柱单轴受压试验研究，分析了胶合木柱轴心受压的破坏形态和破坏机理，得到该批落叶松胶合木抗压弹性模量为14.01 GPa，抗压强度为45.98 MPa，比例极限强度为（0.55～0.70）σL，并给出了应力-应变关系本构方程及相关经验参数。

落叶松胶合木；顺纹受压；本构关系

胶合木作为一种重要的承重构件，已广泛用于现代木结构的梁柱体系、桁架体系中[1]。然而，木材是一种各向异性的多孔性材料，其顺纹和横纹的受力性能差异很大。为了有效控制胶合木构件受压过程的力学行为，国内外木结构研究学者[2-4]如张红为、刘一星、陶俊林、Tabarsa T等分别开展了木材顺纹和横纹压缩变形的相关研究。但迄今国内对胶合木这种新型材料的研究甚少。随着人们环保意识的提高，为了探寻该复合材料受压本构关系，本研究以东北落叶松为树种，着重研究其胶合成型后的顺纹受压应力-应变关系、抗压弹性模量、抗压强度、比例极限强度等。

1 材料和方法

1.1 试验仪器及材料

建筑材料的力学性能直接影响到构件及结构在工程中的使用质量，所以开展胶合木材料相关性能研究对工程构件的承载能力及使用工况显得尤为重要。本研究参考《木结构试验方法标准》（GB/T50329-2012）[5]，设计并制作2组尺寸分别 为 100 mm×100 mm×400 mm和 100 mm×100 mm×200 mm的落叶松胶合木顺纹受压试件各3根，编号分别为A-(1～3) 、B-(1～3)。每组试件由3层厚为32 mm的锯材叠合而成，加工过程中对层板目测分等，保证每组试件内外侧层板的强度分别一致[6]。并测得该批试件平均密度为0.63 g/cm3，平均含水率为10%。

本次试验选用2000KN微机控电液伺服压力试验机完成，应变采集选用东华DH3818静态应变测试系统。整个试验数据采用电脑自动记录。

1.2 试验方法

根据《木结构试验方法标准》（GB/T 50329-2012）[5]木材顺纹受压应力应变曲线测定法的要求，本试验的主要试验步骤如下：

（1）用游标卡尺精确测量每个构件的尺寸，准确至0.1 mm。对每根构件进行编号；

（2）在每根试件顺纹截面的4个侧面中心沿竖向和横向粘贴标距分别为100 mm和50 mm的电阻应变片各一对，将应变片的接线端与东华DH3818静态应变测试系统及电脑相连。并对其进行自动调平处理。同时，启动电液伺服系统检查仪器是否完好；

（3）试验前先估算构件极限承载能力，A组为430 kN，B组为490 kN。对构件进行物理和几何对中。正式加载前对试件先进行15 kN的预加载，卸载至0 kN后以0.5 mm/min的速度匀速加载至试件破坏。与此同时，静态应变仪以5 s/次的频率采集相应受力状态下应变值。试验装置见图1。

2 试验结果分析

试验得到了多组应力-应变曲线，从图2中可以看出，该种材料受压时表现出明显的弹塑性，同种受力条件下各试件的应力-应变基本相似，同时试件尺寸对应力-应变关系影响较小。

图1 试验装置Fig.1 Test device

图2 落叶松胶合木顺纹受压应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of larch glue-lumber under the condition of compression parallel to grain

2.1 落叶松胶合木顺纹受压本构方程分析

将试验所测数据进行整理，选取试件弹性阶段的应力和应变值，采用数值分析软件进行一元回归分析，以各试件弹性阶段最大应力的平均值作为该批试件比例极限强度值。以各试件最大荷载的平均值作为该批落叶松胶合木顺纹抗压极限承载能力。试验结果汇总见表1。

表1 落叶松顺纹抗压材料特征常数Table 1 Characteristic constants of compression parallel to grain tested materials of larch glue-lumber

式（1）、式（2）、式（3）中：E为试件线性阶段抗压弹性模量，即：εE为试件比例极限强度对应的应变值，一般取峰值应变的（0.45～0.60）εL；εL为试件的峰值应变；σL为试件峰值应力；A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4分别为经验系数；具体取值见表2。

表2 落叶松胶合木顺纹抗压本构方程经验系数Table 2 Empirical coefficients of constitutive equation with compression parallel to grain tested materials of larch glue-lumber

从表2可以看出，各试件的弹性和塑性阶段拟合相关系数较高。但同组试件下降段曲线整体趋势离散性较大，曲线拟合相关系数不高。因此，工程实践中可根据实际情况另选适宜的B1、B2、B3、B4使理论曲线和实测结果更吻合。

2.2 落叶松胶合木顺纹受压应力-应变曲线分析

从图2可以看出，落叶松胶合木顺纹受压应力-应变曲线可简化为弹性阶段OA、弹塑性阶段AB、下降阶段BC三个阶段见图3。

图3 落叶松胶合木顺纹受压应力-应变曲线Fig.3 Simpli fi ed stress-strain curves of larch glulam under compression parallel to grain

弹性阶段：当压应力0≤σ≤σE时，木材处于弹性工作阶段。随着压应力的增大，木材本身内部纤维的空隙逐步压紧，管状细胞发生微小变形。此时应力-应变成线性关系。当压应力达到峰值应力的60%左右时伴随有试件内部纤维挤压的细小声音。

弹塑性阶段：当压应力σE＜σ≤σL时，木材压缩变形显著增大，同时伴随吱吱的响声。管状细胞被逐步压溃，内部裂缝不断延伸扩展。此时应力-应变曲线斜率急剧减小，应力-应变逐步由线性关系转为非线性关系。当达到极限承载能力时，应力-应变曲线斜率趋近于零，同时沿试件侧面出现几条45 °角或90 °角的不连续裂缝。

下降阶段：当达到峰值应力σL后，试件强度并没有突然完全消失。此时随着应变的不断增加，应力不断减小，曲线下降坡度较陡，木材表面的裂纹不断扩展，最后将形成4种破坏形态：端头压屈破坏、沿顺纹方向裂开、沿顺纹45 °角裂开、沿木节处裂开。分别如图4中（a）、（b）、（c）、（d）。

试验结果表明：对于单轴受压的胶合木棱柱体试件，其压应力达到σL时，胶合木柱就不能承受更大的压应力。因此，胶合木的抗压强度值成为结构计算的主要指标[8]。与σL相对应的应变εL随木材强度等级而异，约在（3.5～5.0）×10-3之间变动。通常取其平均值为3.942×10-3。此外，当压应力达到σE时，胶合木柱由线弹性转为弹塑性。通常称该点对应的应力值为比例极限强度，该值将成为工程设计的重要参数。与σE相对应的应变εE一般在（1.6～2.5）×10-3之间变动。通常取其平均值为2.022×10-3。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure modes of specimens

3 结 语

根据本次测定的2组不同尺寸落叶松胶合木柱的应力-应变曲线及其特征点试验资料, 本研究给出了一个描述落叶松胶合木柱受压应力-应变关系的表达式,分析了应力应变曲线与破坏形态的关系，并为本构关系表达式中的计算参数积累了一批数据, 初步展示了这些参数变化的规律性和取值的范围。但是因为影响落叶松胶合木柱应力-应变关系的因素非常多,离散性较大，有些重要因素，例如节子、裂纹、指接和含水率等, 这些问题还须进一步研究。 只有这样, 计算参数才有可能确定得更合理。

[1]王 倩.落叶松胶合木柱力学性能试验研究[D].长沙:中南林业科技大学,2013.

[2]张红为,胡 兵,邵卓平. 杨木压缩应力-应变关系研究[J].安徽农业大学学报,2010,37(4):665-668.

[3]刘一星,则元京,师冈淳郎. 木材横纹压缩大变形应力－应变关系的定量表征[J].林业科学,1995,(5):436-442.

[4]陶俊林,蒋 平,余作生.木材静压大变形本构关系研究[J].力学与实践,2000,(5):25-27.

[5]Tabarsa T, Chui Y H. Stress-strain response of wood under radial compression[J].Wood Fiber Science,2000,32(2):144-152

[6]周先雁,曹 磊,周佳乐,等.胶合木设计制作与质量控制[J].中南林业科技大学学报, 2014, 12(34):136-140.

[7]杨木秋,林 泓.混凝土单轴受压受拉应力-应变全曲线的试验研究[J].水利学报,1992,(6):60-66.

[8]过镇海,张秀琴,张达成,等.混凝土应力-应变全曲线的试验研究[J].建筑结构学报,1982,(1):1-12.

Research on stress-strain relation of compression parallel to grain of laminated wood

ZHOU Xian-yan, ZENG Dan, CAO Lei, WANG Zhi-feng
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The main purpose of the study is aimed at investigating the mechanical properties of larch glue-lumber column under condition of compression parallel to grain. By means of experimental study on two sets of larch glue-lumber column with different dimensions, the failure pattern and mechanism of larch glue-lumber column were analyzed. The compressive modulus of elasticity and compressive strength of larch laminated wood were gained with values of 14.01 GPa and 45.98 MPa respectively. The strength of proportional limit of larch glue-lumber appeared at (0.55～0.70)σL，meanwhile the equation of stress-strain curve and related experience parameters are provided.

larch glue-lumber; compression parallel to grain; stress-strain relation; constitutive relation

S791.22；S781.1 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2015)12-0113-04

2014-11-26

国家林业局公益性行业科研专项（201304504）；湖南省自然科学基金项目（12JJ5012）；湖南省研究生科研创新基金项目（CX2013B351）；中南林业科技大学研究生科技创新基金（CX2014Z45）

周先雁，教授，博士，博士生导师；E-mail：zxy560805@163.com

周先雁,曾 丹,曹 磊,等. 落叶松胶合木顺纹受压应力-应变关系研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(12):113-116.

[本文编校：文凤鸣]