古建筑保护中的木材顺纹受压性能试验研究

牛庆芳，孟宪杰，李铁英

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)



古建筑保护中的木材顺纹受压性能试验研究

牛庆芳，孟宪杰，李铁英

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)

以木结构修缮中最常见的构件顺纹受压为研究工况,开展了工程中常用5种木材的顺纹受压力学性能试验研究。采用自制力传感器与电脑连接,实现数据自动记录,通过试件破坏特征以及实验数据的分析得出:木材顺纹受压破坏形式主要有压缩破坏和剪切破坏两种;受压力-位移曲线表现出明显的脆性,曲线有明显的转折点;密度最小的樟子松试件均为压缩破坏；落叶松试件以压缩破坏为主,少量试件出现剪切破坏；而密度较大,质地较硬的菠萝格和塔利以剪切破坏为主,甚至出现双剪破坏。5种木材顺纹抗压强度与密度表现出很好的线性关系。本研究对5种木材在木结构修缮中的应用提供了非常有价值的参考。

木结构修缮；木材；顺纹受压；破坏形式；密度

木制结构古建筑作为我国古建筑的主体,经历了数百甚至上千年的风雨,至今仍有许多完存,是我国宝贵的文化遗产。但由于长期的外力及人为因素,木结构古建筑产生了不同程度的损伤,通过对木结构现状的研究可以发现,许多构件已经严重老化,甚至失去承载能力。木结构的保护以及修缮工作也一直在进行,并取得了显著的成果,但仍有许多待解决的问题。木结构的保护修缮要遵循一定的原则,其中最重要的一点是要尊重和保持古建筑原貌,不能改动,因而对木结构中一些失效构件的替换以及大缝隙的填塞是木结构修缮与加固的重要手段。木材作为一种传统的建筑材料,与现在流行的建筑材料,像混凝土、钢材等有很大的不同,木材是一种天然的各向异性复合材料,三个正交方向分别是顺纹方向、横纹径向和横纹弦向,顺纹方向平行于纹理,径向和弦向分别垂直于和平行于年轮,木材在三个方向上的力学性能有很大的差异性,因而针对木结构修缮工作进行木材材料性能的研究是非常必要的。

针对木材性能国内外已有很多研究,洪俊溪[1],黄硕[2],林金国[3],陈祖松[4],梁善庆[5],陈奕良[6]等人对分别对不同木材的密度、抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量等物理力学性质进行了测定,为各种木材的应用提供了一定的参考;王传贵[7]等对不同种源杉木的物理力学性质进行了研究;徐明刚[8]从清代古屋修缮拆卸下来的杉木构件取材,进行了旧木材的力学性质测试并与新杉木的力学性能对比;张燕[9-10]等人研究了复配碱液处理以及水热微波处理的木材顺纹压缩应力-应变本构关系;MIKSIC A[11]研究了疲劳处理以及年轮方向对挪威云杉横纹受压性能的影响;QING Hai et al[12]结合木材的微观构造,建立了木材的计算模型。

木结构古建筑以受压构件居多,构件破坏也以受压破坏为主,木结构修缮过程中替换的构件主要也是此类构件,为此,本文针对柱一类的顺纹受压构件,对应用于古建修缮中的5种替木进行顺纹受压性能测试,从而进一步了解木材顺纹受压性能,也为这5种替木的使用提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 材料

本次木材顺纹受压实验选用的5种木材为樟子松、落叶松、山樟、菠萝格、塔利,根据GB/T 1939—2009《木材顺纹抗压试验方法》制作1组共6个顺纹抗压标准试件(图1),并按照GB/T 1939—2009的要求进行顺纹抗压强度测试。

图1 顺纹抗压试件(单位:mm)Fig.1 Specimens of parallel-to-grain compression

5种木材顺纹受压试件的平均年轮均在4 mm以下,因而所取标准试件尺寸为30 mm×20 mm×20 mm,长度方向为顺纹方向。在试件进行抗压性能测试前测量并记录各试件的尺寸、含水率和质量,试件尺寸测量采用50分度的游标卡尺,含水率采用KT-506含水率测量仪,质量采用精度0.001 g的电子天平测定,测量精度均能满足实验要求。

1.2 加载及数据采集设备

本次实验采用加载装置为力学试验机,该试验机加载范围为0～50 kN,采用千分表以及自制的力传感器通过电阻应变采集仪器与电脑连接,实现位移和力的自动记录,同时保证了力和位移记录的同步性。自制力传感器能够将自身的变形转变为应变信号通过电阻应变采集仪采集,并输出到电脑,实验前需进行力传感器的标定,将所施加的荷载与输出的应变建立一定的线性关系,就可以通过记录的应变值反算出所施加的荷载。位移记录也是同样的原理,将位移与应变建立线性关系,通过记录的应变值反算出位移值。实验中将千分表和自制力传感器接入应变采集仪的两个通道,同时输出各自应变值,本次实验数据采集频率为1 Hz,力加载速度控制在100 N/s。

2 结果与分析

2.1 试件破坏特征

本次实验5种木材顺纹受压破坏具有相同的规律,破坏可分为三个阶段：弹性受压段,初始压缩阶段,裂缝产生至最终破坏阶段。

图2 樟子松顺纹受压破坏Fig.2 Parallel-to-grain compression failure of pinus sylvestris

弹性阶段5种木材均产生较小的弹性变形,试件均完好。随着上部荷载的增加,试件开始产生裂缝以及明显的变形,5种木材变形破坏形式有较大的差异。樟子松破坏形式如图2所示,其破坏模式为“端盖”受压破坏,破坏形式较为单一。试件破坏均从上端面即受压面开展,初始破坏为试件中上部被压缩产生褶皱,下部试件破坏很小,随着压缩量增大,下部试件开裂,开裂部位一边在试件边缘区域,使得部分纹理压折至剥离,部分试件开裂发生在试件中部,使试件一分为二。

落叶松各试件破坏形式差异性较大,总体有图3所示的4种破坏形式。

图3所示的破坏形式与樟子松“端盖”破坏形式类似,试件中上部试件首先压缩破坏,之后向下发展,裂缝发生在试件中部;图3(b)为木纤维压折破坏,该破坏发生在试件的中下部,起始破坏为木材中部纤维压曲,之后向下压缩变形,木纤维进一步变得扭曲,并伴随有边材剥落现象;图3(c)为试件炸裂破坏,首先试件上端被压缩,随着压缩量的变大,试件从中间向四周炸裂,试件完全失去承载力,这也是试件最严重的破坏形式;图3(d)为试件斜剪破坏,试件上端面首先被压缩,进一步压缩变形后,沿试件中部至底角处出现一个由木纤维滑移所形成的斜面,之后斜面上部试件沿着该斜面向下剪切发生破坏。

图3 落叶松顺纹受压破坏Fig.3 Parallel-to-grain compression failure of larch

图4为山樟受压破坏的主要破坏模式。图4(a)为端盖破坏,其破坏形式与前面所述相同;图4(b)为层理开裂破坏,试件底端首先产生压缩变形,之后试件沿纹理开裂,随着进一步压缩,开裂的纹理被压折甚至折断而破坏;图4(c)所示破坏与“端盖”破坏形式类似,但是其破坏发生在底面,压缩变形也是从底面开展。

图4 山樟顺纹受压破坏Fig.4 Parallel-to-grain compression failure of kapur

菠萝格材质较硬,多发生剪切破坏,如图5所示。除图5(d)为底部压溃破坏外,其余破坏均为各种形式的剪切破坏;图5(a)和5(b)均为“双剪破坏”,即破坏过程中出现两个剪切面,试件变形主要来自于剪切变形,压缩形变很小,图5(a)中两剪切面起点在试件同侧的上下两个边角处,终点相交于另一侧面中央处,两个剪切面将试件分为上中下三部分,上下部试件向同一方向位移,而中部试件向反方向位移,使得剪切面处的木纤维扭曲,图5(b)中试件两剪切面相交于试件中部,将试件分为左中右三部分,中间部分向下剪切变形,左右两部分试件分别向左右两边变形,从而使得交接面以下的木材拉裂,产生较大的裂缝;图5(c)试件从顶部到底部产生斜向的剪切面,使得剪切面上部试件向下剪切破坏,而图5(f)中剪切面从试件顶部发展到试件中部而中止,呈半剪切状态;图5(e)中试件在偏上部出现部分剪切,而下部试件主要发生压缩变形。塔利破坏形式与菠萝格类似,图略，但塔利破坏中均为剪切破坏,没有出现压缩破坏。

2.2 力-位移曲线分析

5种木材顺纹受压力-位移曲线如图6所示。5种木材受压曲线初始段具有相似的特征,曲线均经过较长的线性段,之后突然转折向下,该转折点也是木材的破坏点,在力—位移曲线上也没有出现明显的的屈服段,说明木材顺纹受压为脆性破坏,即没有任何预知的突然破坏,但曲线直线段的长度以及斜率有较大的差异,这也说明5种木材的抗压强度以及抗压弹性模量有较大的差别。5种木材受压曲线转折后出现了一定的差异,从图中可以看出,樟子松各试件曲线表现出较好的一致性,而其余木材试件曲线出现较大的离散性,尤以山樟和塔利离散性最大,出现这种情况是由于在弹性阶段,试件均未产生破坏,只产生可恢复的弹性形变,这一阶段各组试件曲线较为一致,当到达极限荷载后,木材发生破坏,由于樟子松各试件破坏形式相同,其力-位移曲线没有较大差别,而落叶松、山樟、菠萝格、塔利各组试件破坏形式有较大的差异,导致其力—位移曲线离散性较大,这也说明木材的破坏形式对其力-位移曲线有较大的影响。

图5 菠萝格顺纹受压破坏Fig.5 Parallel-to-grain compression failure of merbau

图6 5种木材顺纹受压力-位移曲线Fig.6 Parallel-to-grain compression force-displacement curves of five kinds of wood

2.3 强度与密度关系分析

5种木材顺纹抗压强度见表1。

影响木材顺纹抗压强度因素有木材含水率、环境温度、木材缺陷、木材密度等,由于本次实验取材为标准无瑕疵试件,并且都在实验室条件下进行,实验温度恒定,从表中数据可以看出,本次实验5种木材试件含水率接近,因而可忽略含水率对木材抗压强度的影响,因此木材密度对本次实验木材的顺纹抗压强度有决定性的影响。5种木材顺纹抗压强度与密度关系见图7。

从图7中可以看出,除落叶松外,木材顺纹抗压强度与木材密度呈正相关关系,木材抗压强度随密度增大而增大,并且具有显著地线性关系,拟合结果如下:

表1 5种木材顺纹抗压强度

图7 5种木材顺纹抗压强度与密度关系Fig.7 Relationship between compression strength and density of the five kinds of wood

可见木材顺纹抗压强度与密度之间有很好的线性关系,而落叶松抗压强度的变异性,也说明了树种对木材材性也有一定的影响。

3 结论

通过对5种木材顺纹受压性能测试,得到结论如下:

1) 5种木材顺纹受压破坏分为三个阶段-弹性受压段,初始压缩阶段,裂缝产生至最终破坏阶段,但5种木材的破坏形式有明显的差异,密度最小的樟子松试件均为压缩破坏,落叶松试件以压缩破坏为主,少量试件出现剪切破坏,而密度较大,质地较硬的菠萝格和塔利以剪切破坏为主,甚至出现双剪破坏。

2) 5种木材顺纹受压力-位移曲线均表现出脆性破坏的特征,曲线在经过线性段后急转而下,曲线下降段受木材破坏形式的影响较大。

3) 从木材顺纹抗压强度与密度关系分析来看,木材强度随着密度变大呈现增大的趋势,并且有较好的线性相关性,其相关系数为0.987。

4) 通过5种替木顺纹受压特性分析,对5种替木的应用提供了一定的参考:替木首先要满足强度要求,可根据所需替换构件的实际荷载选取合适的替木;在强度满足要求的前提下,从本次实验结果可以看出,密度较小的木材其破坏形式较单一,力-位移曲线离散性较小,木材性质更稳定,应当优先选择;由于修缮过程中多采用新木材,应尽量保证新木材与所替换木材力学性能相近,结合木结构构件残损现状,采用与其变形破坏模式相近的木材,从而保证替木与原有构件共同工作。

[1] 洪俊溪.青钱柳人工林材性试验研究[J].福建林学院学报,1997(3):214-217.

[2] 黄硕.大叶山杨材性分析[J].吉林林业科技,1999(4):8-13.

[3] 林金国,郑郁善,与金泮.福建含笑木材物理力学性质的研究[J].西北林学院学报,1999(2):33-36.

[4] 陈祖松.福建柏人工林木材物理力学性质的试验研究[J].福建林学院学报,1999(3):32-35.

[5] 梁善庆,与建举.人工林米老排木材的物理力学性质[J].中南林业科技大学学报,2007(5):97-100+116.

[6] 陈奕良.伯乐树木材物理力学性质的研究[J].浙江林业科技,2010(5):20-23.

[7] 王传贵.不同种源杉木物理力学性质的比较研究[J].东北林业大学学报,1998(4):52-55.

[8] 徐明刚,与洪兴.古建筑旧木材材料性能试验研究[J].工程抗震与加固改造,2011(4):53-55+31.

[9] 张燕, 宋魁彦,佟达.复配碱液处理榆木顺纹压缩应力-应变本构关系[J].林业科学,2012(11):83-86.

[10] 张燕,佟达,宋魁彦.水热-微波处理水曲柳顺纹压缩应力-应变本构关系[J].南京林业大学学报(自然科学版),2013(4):105-109.

[11] MIKSIC A.Effect of fatigue and annual rings’ orientation on mechanical properties of wood under cross-grain uniaxial compression[J].Wood Science and Technology,2013,47(6):1117-1133.

[12] QING H,MISHNAEVSKY L.A 3D multilevel model of damage and strength of wood:Analysis of microstructural effects[J].Mechanics of Materials,2011,43(9):487-495.

(编辑：贾丽红)

Experimental Study on the Wood Parallel-to-grain Compression Properties for Ancient Wood Buildings’ Protection

NIU Qingfang,MENG Xianjie,LI Tieying

(College of Architecture and Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Aiming at the parallel-to-grain compression members that occur most commonly in wood buildings’ renovation,this poper carried out tests of the parallel-to-grain compressive performance of 5 common timbers used in engineerings. A self-made force sensor was used in this test by connecting with computer for automatic recording of data.Through the analysis of the specimens’ failure characteristics and experimental data it can be concluded that compression failure and shear failure of wood are two kinds of main failure modes; the compressive pressure-displacement curve shows obvious brittleness and clear turning point and the failure mode of Pinus sylvestris specimens with minimum density is compression failure, as for Larch, failure mode is mainly the same but shear failure occurrs in a small amount of specimens, while the failure mode of Taliban merbau,with its high density and hard texture,is mostly shear failure，even with twin shear.The parallel-to-grain compressive strength and density of 5 kinds of timbers show a good linear relationship.This study provides very useful reference for the application of the five kinds of woods in wood buildings’ renovation.

timber construction repairing；wood；parallel-to-grain compression；failure mode；density

1007-9432(2016)05-0623-05

2016-01-08

国家自然科学基金重点项目：古建木构的状态评估、安全极限与性能保持(51338001)；国家自然科学基金项目：古建筑保护技术应用的时变性能评价方法与重载下木骨架修缮关键技术研究(51278324)

牛庆芳(1979-),女,山西临汾人，博士生，主要从事古建筑木结构材料性能的研究和古建筑的修缮研究， (E-mail)niuqingfang@tyut.edu.cn

李铁英,教授,博导,主要从事古建筑材料性能研究，(E-mail)lty680412@163.com

TU502

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.012