低应变率对云南松顺纹抗压强度的影响1)

2023-11-24刘建辉徐国林柏亚双耿稳清林宇杰

东北林业大学学报 2023年12期

刘建辉徐国林柏亚双耿稳清林宇杰

(西南林业大学,昆明,650224)

木材是绿色建筑材料,具有良好的力学性能,被广泛用于建筑结构[1-2]。使用木材前,须通过试验测试木材的力学参数,评估木材力学性能。但现有试验规范未关注应变率对木材力学性能的影响,如进行木材抗拉、抗压强度试验时,规范[3-4]只建议加载时,控制试件在1.5～2.0 min内破坏,忽视应变率对木材力学性能的影响。刘建辉等[5]在研究木材非线性分析模型时,指出需考虑应变率对木材力学性能的影响。

国内外学者对木材应变率问题进行了大量研究,如Polocoser[6]总结木材在中、高应变率时的测试结果,指出应变率会影响木材弹性模量、断裂模量;窦金龙[7]利用分离式霍普金森压杆实验探究桉木干、湿材在高应变率时的力学行为,发现桉木干、湿材的屈服强度均随应变率增大而增大;刘云川[8]利用分离式霍普金森压杆实验、一维应力波理论分析杨木在冲击荷载时的力学特性,指出杨木顺纹抗压强度具有应变率敏感性,使用对数律可以很好地说明应变率对杨木抗压强度的影响;孙雪[9]探究木材顺纹弹性模量在应变率为10-3～10-5s-1范围内的变化规律,发现木材顺纹方向弹性模量随应变率增大而增大;赵帅[10]发现在应变率为500～5 000 s-1范围内,俄罗斯红松顺纹方向屈服应力的应变率敏感性大于弦向、径向的应变率敏感性,且弦向、径向的吸能能力随应变率增大而提高。

针对木材应变率的现有研究,许多都是利用高应变率试验进行的,对木材在中、低应变率时,应变率敏感特性研究并不多。Wouts[11]研究云杉、山毛榉在低、中、高应变率范围内变化时的力学特性,指出木材的性质是应变率敏感的,应变率对木材的纵向失效机制有很大影响。因此,需进一步研究在中、低应变率时,木材破坏形态、力学性能的变化规律。此外,研究者往往更关注不同应变率时,木材强度的变化规律,忽视了相同试件峰值位移的变化规律。且在分析木材应变率效应时,很少有学者使用能量演化方法去解释木材的应变率效应。我国地震多发,木结构在遭遇地震作用时,其安全性能会受到严重影响。云南是罕遇地震频发的省份,当地居民特别是藏族居民常利用云南松建造房屋,但目前针对云南松中、低应变率的研究未见报道。地震作用时,惯性力引起的木材应变率常介于1×10-4～1×10-2s-1之间[12],此范围与中、低应变率范围基本重合。鉴于此,本研究选取云南松木材作为研究对象,测试尺寸为30 mm×30 mm×40 mm的木材试件在1×10-4、1×10-3、5×10-3、1×10-2s-1这4种应变率时的顺纹抗压强度、峰值位移,观察云南松试件在4种应变率时的破坏形态,并利用能量演化方法,分析木材的应变率效应。

1 材料与方法

本试验选取缺陷较少的云南松锯材作为原木材,将锯材切割、压刨成尺寸为30 mm×30 mm×650 mm的规格材,共加工13根规格材,按A～M进行编号。再将规格材切割成尺寸为30 mm×30 mm×40 mm的木材试件,其中40 mm的方向为木材顺纹方向(图1)。试件在测试前,需进行含水率平衡处理,将试件放到温度为25 ℃的室内,待试件含水率达到平衡(试件的含水率约为12%)。为保证每根规格材切割成的试件可在4种应变率时进行试验,同时参考GB/T50329-2012《木结构试验方法标准》中对试件数量的规定,本研究将每根规格材加工得到的试件分为4组,每种应变率有39个试件。

本试验参考GB/T50329-2012《木结构试验方法标准》、GB/T1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》,使用600 kN微机控制电液伺服压力试验机对木材试件进行加载(图2)。为保证试件受力均匀,压力试验机上下均使用球铰。本试验设计了4种加载速度,以位移方式进行加载,分别采用0.24、2.40、12.00、24.00 mm·s-1共4种加载速度对云南松试件沿顺纹方向开展轴压实验,4种加载速度对应的应变率分别为1×10-4、1×10-3、5×10-3、1×10-2s-1。

图2 试验装置

2 结果与分析

2.1 试件破坏现象与破坏机理

图3为试件在不同应变率时的破坏图。从图3(a)可以看出,应变率为1×10-4s-1时,木材试件破坏较轻微,破坏模式主要有两种,一种是顶部压溃,发生褶皱,纤维被压折;另一种是斜向剪切破坏。应变率为1×10-3s-1时,试件出现了较严重的斜向剪切破坏。此外,也有试件发生顶部压溃伴随中部劈裂破坏(图3(b))。应变率为5×10-3s-1时,试件破坏模式与应变率为1×10-3s-1时的破坏模式相似,但破坏更为严重(图3(c)),除发生更大程度的斜向剪切破坏外,还伴随着中部劈裂破坏。而应变率为1×10-2s-1时,试件破坏最严重(图3(d)),试件破坏模式有顶部压溃破坏、斜向剪切破坏、中部及边缘部劈裂破坏,试件破坏点较为离散。

图3 试件破坏图

不同应变率时,木材试件破坏形态不同。这是由于当加载速率较小时,木材受压应力能够均匀分布,因此试件的破坏形态主要是纤维发生剪切错位。当加载速率增大,试件破坏形态发生明显的差异性,部分试件在顺纹压缩作用下发生径向膨胀,出现劈裂破坏。其主要原因在于,速率增大,试件破坏时间缩短,导致加载过程中试件无法在短时间内形成均匀应力状态,因此,破坏将从木材试件截面损伤点位置开始向外扩展,最终导致试件破坏。

对木材试件整个受力过程进行分析,以B组、E组、G组木材试件为例,从3组试件的荷载-位移曲线图可以看出,木材顺纹方向压缩变形过程,可分为弹性变形、塑性变形的2个阶段(图4)。加载初期,试件为弹性变形,纤维素、木质素逐渐被压缩;当达到峰值荷载时,试件进入塑性变形阶段,木材胞壁结构发生屈曲、胞孔坍塌、胞元被破坏,试件继续变形,所需的载荷减小。

图4 各尺寸试件平均荷载-位移曲线

2.2 试件在不同应变率时的顺纹抗压强度

各组试件在不同应变率时的平均抗压强度见表1,B、C、D、E、F、G、M组试件的抗压强度随应变率增大而增大;A、L、J组试件的抗压强度,总体呈现随应变率增大而增大的趋势,但试件在应变率为1×10-3s-1时的抗压强度小于应变率为5×10-3s-1时的抗压强度;H、I、K组试件的抗压强度,总体也呈现随应变率增大而增大的趋势,但试件在应变率为5×10-3s-1时的抗压强度大于应变率为1×10-2s-1时的抗压强度。对各组数据进行方差分析(表2),可以看出应变率对试件顺纹抗压强度具有显著影响(p<0.01)。对4种应变率的木材试件的顺纹抗压强度取平均值,分别为46.78、50.66、53.40、54.67 MPa,试件抗压强度随应变率增大而增大。因此,可忽略H、I、K、A、L、J组试件顺纹抗压出现的差异。

表1 不同应变率时试件抗压强度

表2 云南松试件顺纹抗压强度方差分析结果

为评估材料的应变率敏感特性,通常使用动力提高系数(DIF)表征材料的应变率效应[13-14]。本研究中使用对数表达式,表示云南松顺纹抗压强度(DIF):

(1)

式中:σ为当前应力(MPa);ε为当前应变率;σ0为准静态应力(MPa);ε0为准静态应变率。

本研究以1×10-4s-1为准静态应变率。以动力提高系数(DIF)为纵坐标,以当前应变率与准静态应变率比值的对数为横坐标进行线性拟合(图5)。从图5可以看出,数据点几乎都在拟合曲线上,且R2为0.999 84,非常接近1,这说明木材的顺纹抗压强度(DIF)与应变率之间存在明显的线性关系。此外,得到λ值为0.083 77。因此,式(1)可改写为:

图5 动力提高系数与应变率间的拟合曲线

(2)

2.3 试件在不同应变率时的峰值位移

表3为各组试件在不同应变率时,峰值位移的平均值。从表3可以看出,应变率为1×10-3s-1时,试件的峰值位移最大;应变率为5×10-3s-1时,试件的峰值位移最小。对各组数据进行方差分析(表4),应变率对试件峰值位移具有显著影响。对每种应变率时的木材试件峰值位移取平均值,得到4种应变率的试件平均峰值位移为1.57、1.72、1.16、1.47 mm,由此可知,试件的峰值位移未表现出随应变率增大而增大的趋势。将应变率作为横坐标,峰值位移作为纵坐标进行拟合(图6)。从图6可以看出,数据点远远偏离拟合曲线,拟合效果很差,这说明木材试件的峰值位移与应变率之间不存在明显的线性关系。

表3 不同应变率时试件峰值的位移

表4 云南松试件峰值位移方差分析结果

图6 峰值位移与应变率的拟合曲线

2.4 试件的应变率效应

研究人员主要使用黏性效应、惯性作用、裂纹演化3种理论解释材料的应变率效应[15],也有学者使用能量演化方法解释各向异性材料的应变率效应[16-17],如谢和平[18]提出基于能量耗散与释放的强度破坏准则,该理论假设外力对材料单元做的功,等于材料单元的可释放应变能与耗散能之和:

U=Ud+Ue。

(3)

式中:U为压力机对材料单元做的功(J);Ud为单元耗散能(J);Ue为单元可释放弹性应变能(J)。鉴于木材的材料特性,利用此理论分析应变率效应。由于本试验是单向加载的,因此,式(3)可进一步简化为[5]:

(4)

式中:σ为应力(MPa);ε为应变。由于试验中云南松木材试件只有30 mm×30 mm×40 mm一种尺寸,因此,式(4)可改写为:

(5)

式中:U为压力机对试件做的功(J);f为荷载(kN);x为位移(mm)。以G组试件为例,将4组应变率的试件荷载-位移曲线进行归一化处理,以归一化的荷载-位移曲线作为G组试件,使用式(5)计算压力机对云南松试件在4种应变率下加载1 mm时做的功,其值分别为23.27、26.16、31.65、32.43 J。由表1可知,G组试件在4种应变率时,平均顺纹抗压强度为48.34、50.96、52.05、52.93 MPa。由此可知,试件顺纹抗压强度与吸能能力,整体随应变率增大而增大。这说明能量演化方法可用于解释木材的应变率效应。