落叶松胶合木力学性能试验研究

周佳乐，冯 新，周先雁

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

落叶松胶合木力学性能试验研究

周佳乐，冯 新，周先雁

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

落叶松胶合木是一种对其锯材进行加工形成的工程复合材，为研究其基本力学性能和工程适用性，对落叶松木材试件进行抗拉、抗压及抗弯等试验研究，分析了其破坏形态及机理，得到了落叶松胶合木的抗拉、抗压和抗弯强度及弹性模量。结果表明：落叶松胶合木抗压和抗弯试件经历了弹性、弹塑性和破坏3个阶段，表现为塑性破坏；抗拉试件没有明显的屈服阶段，表现为脆性破坏。基于试验结果和理论分析，结合木结构相关设计标准，提出了落叶松胶合木设计建议值，为实际工程应用提供参考。

落叶松胶合木；力学性能；强度设计值；试验研究

胶合木是以小径材和速生原木为主要材料，对原木进行切割、刨光等加工，再经指接、胶合、层压等技术处理后形成的一种工程复合材。原木因其自身存在木节和斜纹等缺陷，致使木结构的推广和应用受到了很大程度的制约[1]。随着胶合木技术的出现及推广，使得木结构具有良好的力学性能，实现了小材大用、劣材优用[2]。欧美等国家对胶合木进行了大量的试验研究，现代木结构已广泛运用于房屋建筑、大型体育馆以及桥梁建筑当中[3-5]。

木材是多孔，不均匀的各项异性材料，在拉应力和剪力的作用下表现为脆性破坏；而在压应力的作用下表现为塑性破坏，拉压强度相差较大，本构关系较为复杂[6]，且目前国内对落叶松胶合木基本力学性能研究较少。

本研究采用落叶松锯材加工制作成胶合木试件，以15个试验试件为一组，根据此类构件在受拉、受压和受弯情况下的试验结果，研究其物理力学性质及破坏形态，揭示了落叶松胶合木在顺纹和横纹方向不同受力情况下的本构关系，为此类材料结构的设计和工程运用提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

本研究试验材料为兴安落叶松，试件设计按国家现行标准《木结构试验方法标准》（GB/T 50329-2012）、《木材物理力学试验方法总则》（GB/T 1928-2009）和美国《木材无疵小试件的试验方法》（ASTM D143-94)[7]进行设计。

1.2 材料性能

试验试件实测的物理性能相关指标详见表1。

表1 落叶松木材物理性能指标实测值Table 1 Physical performance index measured values of larch glulam

1.3 试验方法

试验设备及加载方式：试验设备采用型号CMT5105微机控制电子万能试验机和SHT4305微机控制电液伺服万能试验机。电子引伸计：标距50 mm。采用连续加载方式，在试验开始前，测量各个试样的尺寸，精确至0.1 mm。

对于弹性模量测试：（1）抗压弹性模量测试：先加载至下限，以均匀加载至上限，如此反复6次，取上、下限变形值的平均值，通过相应公式计算其弹性模量；（2）抗弯弹性模量测试：采用弦向加载，使用百分表读取变形值，先加载至荷载下限（300 N）然后匀速加载至荷载上限（700 N），反复3次。加载速度取1 mm/min为宜[8]；对于强度测试：试验以均匀的速度加载，在1.5 ～2 min内使试样破坏。

2 破坏形态与机理分析

2.1 顺纹抗拉试验

在试验初期，试件处于弹性工作阶段，变形随着荷载的增加而增加，试件仅发生微小的变形。试验后期，随着荷载的继续增加，沿着木材顺纹长度方向纤维在微纤维之间撕开，微纤维之间产生滑移使得微纤维撕裂破坏，并伴有微纤维断裂的响声。当荷载接近其临界荷载时，断裂处面积迅速发展导致突然断裂，并发出较大的断裂声，属于脆性断裂破坏，破坏面呈锯齿状。试件的破坏模式如图1所示。

图1 顺纹抗拉破坏Fig. 1 Tensile failure modes of parallel to grain

2.2 抗压试验

2.2.1 顺纹抗压试验

在试验过程中，试件主要经历3个阶段：加载初期，变形随荷载的增加而增加，试件变形较小，二者呈线性关系；随着荷载的继续增加，试件中部开始出现裂缝，并有沿着斜上方继续发展的趋势，试件变形增大；在加载后期，试件出现塑性变形，裂缝沿斜向上扩展，直至试件破坏。试件破坏形式主要以剪切和压披为主，典型破坏形式见图2。

图2 顺纹抗压破坏Fig. 2 Compressive failure modes of parallel to grain

2.2.2 横纹抗压试验

试件横纹抗压试验包括径向抗压和弦向抗压试验。在径向试验过程中，试件经过弹性阶段后，随着荷载的继续增加，试件中部局部出现凸起并有褶皱，继续增加荷载直至破坏试件出现扭曲而破坏；在弦向试验过程中，试件加载初期处于弹性变形阶段，继续增加荷载，试件中部开始出现塑性变形，变形沿着试件径向方向发展出现侧向位移，直至试件破坏。试件破坏形式分别见图3。

2.3 顺纹抗弯试验

图3 横纹径向和弦向抗压破坏Fig. 3 Radial and tangential compressive failure modes

加载方式：弦向中央加载。前期为弹性阶段，随后试件进入塑性变形阶段，上部木纤维因压应力而缩短，下部纤维应拉应力而伸长，中间存在木纤维既不伸长也不缩短的中性层。结合表2、图7和图8可知，顺纹抗拉强度为91.7 MPa，抗压强度为38.3 MPa，当上部纤维压应力达到极限抗压强度时，下部纤维仍处于弹性受拉阶段，继续增加荷载，当下部纤维达到极限抗拉强度时，上部纤维处于塑性变形阶段，试件因下部纤维受拉破坏，表现为脆性破坏（见图4）。

图4 顺纹抗弯破坏Fig.4 Bending failure modes of parallel to grain

3 试验结果及分析

试验所得落叶松基本力学性能指标详见表2。

表2 落叶松木材试件力学性能指标Table 2 Mechanical performance index of larch glulam

从上述图中可以看出，顺纹、横纹各项试验中各试件应力-应变曲线形状、走势基本相同，但也有个别离散程度较大。其中主要是由于木材材料的差异性，木材的力学性能受到树种、纹理方向、年轮等因素的影响，具有一定的差异性，因此在使用木材的数值时不仅仅考虑的是其平均值，也须考虑其变动值。

图5为顺纹抗拉试件应力-应变曲线图，顺纹抗拉试件只有弹性阶段而没有明显屈服阶段，当荷载增加到破坏荷载时，即极限应变范围为0.005 8～0.009 με顺纹抗压试件应力-应变曲线图，当应变处于0～0.016 με范围内时，试件处于弹性阶段，应变处于0.016～0.025 με范围内时，试件进入塑性变形阶段，在此阶段应变变化较快，应力呈逐渐减小趋势；且图6试件8体现了较大的差异性，在计算试件强度和弹性模量值时，予以舍弃。

图5 顺纹抗拉应力-应变曲线Fig. 5 Tensile stress-strain curve of parallel to grain

图6 顺纹抗压应力-应变曲线Fig. 6 Compressive stress-strain curve of parallel to grain

图7 横纹径向抗压应力-应变曲线Fig. 7 Compressive stress-strain curve of radial direction

图8 横纹弦向抗压应力-应变曲线Fig. 8 Compressive stress-strain curve of tangential direction

图7和图8为横纹径向和弦向抗压试件应力-应变曲线，木材的横纹抗压强度测定不出最大压缩荷载，因此只能测定比例极限强度[9]。横纹径向、弦向受压试验设置了终止条件，根据试验结果可得横纹径向和弦向试件弹性阶段应变范围分别为0～0.035 με和0～0.015 με，弹性极限强度值分别为4.4 MPa和3.1 MPa。

图9为抗弯试件位移-曲线图，当跨中位移在0～3.87 mm范围内时，试件处于弹性阶段，当跨中位移在3.87～8.15 mm范围内时，试件处于弹塑性变形阶段，在此阶段应变增加较快，随后试件突然发生脆性破坏。

图9 抗弯试验荷载-位移曲线Fig. 9 Load-deflection curve of bending test

4 力学性能及设计值

由于标准小试件与实际使用中的木构件尺寸、质地、荷载情况均有极大的差别。因此，在实验室求得的木材强度，不能直接用于木构件的设计。设计时，必须考虑各种因素对木构件正常工作的不利影响，将木材强度予以合理的折减，方可作为木结构设计时的木材计算强度。

4.1 极限状态设计方法（MFLSD）

目前，我国的木结构设计[10]采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠度指标β度量结构构件可靠度，采用分项系数的设计表达式。这种设计方法是确定性设计表达式和半经验半概率系数的结合。

式（1）、式（2）中：γR为抗力分项系数；KP为方程精确性影响系数；KA为尺寸误差影响系数；KQ为构件材料强度折减系数；KQ1为天然缺陷影响系数；KQ2为干燥缺陷影响系数；KQ3为长期受荷强度折减系数；KQ4为尺寸影响系数，系数按表3取值。

4.2 容许应力设计方法（ASD）

目前，我国木结构设计所采用的木材容许应力法[11]是根据多年来国产木材材性研究的结果，木结构设计和使用的经验，经过多次方法上的改进而确定的，是可行安全的。

式（3）中：σ12-含水率为12%时的强度平均值；K1-木材强度变异系数；K2-长期荷载系数；K3-木材缺陷系数；K4-干燥缺陷系数；K5-应力集中系数；K6-超载系数；K7-结构偏差系数，系数按表4取值。

根据无疵小试件的试验结果，分别采用极限状态设计方法和容许应力设计方法，计算出落叶松胶合木设计值，如表5所示。通过比较分析可得，顺纹抗拉和抗压容许应力值分别为极限强度设计值的36.7%和63.8%；横纹弦向和径向抗压容许应力值分别为极限强度设计值的43.9%和44.1%；抗弯强度为78.7%.由对比分析可知，容许应力法对木材强度的折减较大，过于偏安全考虑，建议采用极限强度设计值。

表3 极限状态设计法折减系数Table 3 Reduction coefficient of limit states design method

表4 容许应力设计法折减系数Table 4 Reduction coefficient of allowable stress design

表5 落叶松胶合木设计值Table 5 Design value of larch glulam

表6给出了落叶松和不同进口规格材力学性能对比，结果表明国产落叶松在力学性能方面完全能与美国花旗松、南方松等相媲美，甚至在顺纹抗拉性能上比进口规格材表现更好，能满足建筑结构对落叶松力学性能的要求。

表6 不同树种力学性能对比†Table 6 Mechanical property comparison of different tree species

5 结 论

（1）落叶松胶合木试件，其抗拉试件只有弹性变形，极限应变范围为0. 005 8～0.009 0 με，试件表现为脆性破坏；顺纹抗压试件过程具有3个阶段：弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段，极限应变为0.025με，破坏特征为塑性破坏；横纹的径向、弦向抗压试件过程同样具有3个阶段，弹性阶段应变范围分别为 0～0.035 με和0～0.015 με；抗弯试件同样具有3个阶段，抗弯强度为90.0 MPa，然而其抗弯试件破坏是由于试件下部纤维抗拉破坏而形成，故其破坏形式表现为脆性破坏。

（2）落叶松木材横纹弦向和径向力学性能比较接近，弦向强度为径向强度的76%，弹性模量为73.6%。横纹径向和弦向受压屈曲破坏形式有着明显的不同：横纹径向试件受压变形表现为中部局部出现凸起并有褶皱，试件破坏时出现扭曲；横纹弦向试件受压变形表现为试件中部出现塑性变形且变形沿着试件径向方向发展出现侧向位移。从抗压强度方面来看，木材可假设为横观各向同性材料。

（3）容许应力法对木材各力学性能强度折减较大，不能充分发挥材料的性能，建议采用极限状态法折减所得强度设计值。

（4）试验得到了落叶松木材抗拉和抗压力学性能参数，但复杂应力状态下木材力学性能需考虑木材的抗剪性能、不同方向的泊松比以及塑性阶段变形发展，这些问题有待进一步研究。

[1] 樊承谋,陈松来.木结构科技的新发展[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 36(6): 25-26.

[2] 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.

[3] Ozarska B. A review of utilization of hardwood for LVL[J].Wood Science and Technology, 1999, 33(4): 341-351.

[4] Issa C A, Kmeid Z. Advanced wood engineering[J]. Construction and Building Material, 2005, 19(2): 99-106.

[5] Bulliet W M, Sandberg L B, Woods G J. Steel reinforced glued-laminated timber[J]. Journal of Structural Engineering,ASCE,1989, 115(2): 433-444.

[6] Marcia P M, Stenven M C, Frederick W S, et al. Nonlinear material models for analysis of bolted wood connection[J].Journal of Structural Eingeering, 1977, 123(8):1063-1070.

[7] ASTM D143 - 94, Standard test methods for small clear specimens of timber of timber[S]. West Conshoh-ocken, PA: ASTM International, 2007.

[8] 龚 蒙,徐永吉,唐海波.木材顺拉弹性模量测定方法的研究-加载速度的选择[J].南京林业大学学报, 1995, 19(4): 93-96.

[9] 徐有名,徐 峰.木材学[M].北京:中国林业出版社, 2006.

[10] 《木结构设计手册》编辑委员会.木结构设计手册[M].第3版.北京.中国建筑工业出版社, 2005: 35.

[11] 潘景龙,祝恩淳.木结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

Experimental research on mechanical properties of larch glulam

ZHOU Jia-le, FENG Xin, ZHOU Xian-yan
(College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Glulam is a type of engineering composites made of processing the larch sawntimber. This paper focused on the fundamental mechanical properties of larch glulam and engineering applicability. Through analyzing failure mode and mechanism of tensile,compressive and transverse test, the value of fundamental mechanical properties was studied. The results showed that the compressive samples and tensile samples pass through elastic, elastic-plastic and failure phase, reflecting as plastic failure. Bending specimens haven’t obvious yield stage, reflecting as brittle failure. On the basis of experimental results and theoretical analysis, combining with related wood design standards, the design value of strength and the reference of practical engineering application was given.

larch glulam; mechanical properties; design value of strength; experimental research

S718.2

A

1673-923X(2016)08-0125-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.022

2015-11-02

国家国际科技合作专项（2014DFA53120）；湖南省教育厅一般科研项目（15C1419）；中南林业科技大学青年科学研究基金（QJ2012003B）

周佳乐，硕士研究生

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

周佳乐，冯 新，周先雁.落叶松胶合木力学性能试验研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(8): 125-129, 135.

[本文编校：文凤鸣]