周紅梅

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

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興安落葉松膠合木柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

周紅梅

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

該文以興安葉松為原料,依據(jù)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)國(guó)產(chǎn)落葉松動(dòng)彈性模量和靜彈性模量進(jìn)行研究.采用應(yīng)力應(yīng)變片與應(yīng)力波法分別測(cè)定其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)彈性模量,結(jié)果表明:靜彈性模量是動(dòng)彈性模量的1.23倍.圖2,表4,參9.

落葉松;膠合木;力學(xué)性能

木結(jié)構(gòu)是由木材或主要由木材承受荷載的結(jié)構(gòu),通過各種金屬連接件或榫卯手段進(jìn)行連接和固定[1].落葉松膠合木縱向強(qiáng)度高、耐腐朽,力學(xué)性能穩(wěn)定、抗壓及抗彎曲的強(qiáng)度大,能承受拉力、壓力、剪力、彎曲、扭矩的作用,按照《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50005—2012[3]選取試件測(cè)試木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.

靜彈性模量采用應(yīng)力應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)結(jié)果精確、可靠度高.在以現(xiàn)代木構(gòu)件為測(cè)定對(duì)象時(shí),需要制作試件稍顯麻煩.以應(yīng)力波為原理的動(dòng)彈性模量測(cè)定方法,儀器易于攜帶、操作簡(jiǎn)單,無需制作試件,特別是測(cè)定的古建筑彈性模量時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì).但數(shù)據(jù)誤差較大,無法確切反應(yīng)木材彈性模量.該文建立了落葉松膠合木構(gòu)件靜彈性模量與動(dòng)彈性模量之間的關(guān)系,為在不同條件下彈性模量的測(cè)定提供了科學(xué)依據(jù),具有實(shí)用意義.

1 材料與方法

1)東北落葉松,參考《木材含水率測(cè)定方法》GB/T 1931—2009[4]測(cè)定其含水率為11.2%;參考GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》[5]測(cè)定其密度為0.64 kg/m3.

2)間苯二酚甲醛樹脂膠粘劑,采用雙面施膠,測(cè)得施膠量為190 g/m2.

彈性模量是固體材料在彈性范圍內(nèi)正應(yīng)力與相應(yīng)正應(yīng)變的比值,反映了固體抵抗外力產(chǎn)生變形的能力,也是表征木材力學(xué)性能最基本、最重要的指標(biāo)之一[6].

2 落葉松膠合木靜彈性模量測(cè)定試驗(yàn)

2.1 原理及儀器

木材為粘彈性材料,在彈性范圍內(nèi),對(duì)木材施加壓力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形,利用式(1)[7]計(jì)算木材的靜彈性模量.

(1)

式中,E—靜彈性模量

σ—應(yīng)力

ε—應(yīng)變

F—荷載

A—受壓面面積

采用微機(jī)控電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、靜彈性模量數(shù)據(jù)接收器、標(biāo)距為100 mm的電阻應(yīng)變片、502膠、直徑20 mm的電線及電焊器來完成落葉松膠合木試件靜彈性模量的試驗(yàn).

2.2 測(cè)定方法

選取3組(A、B、C組)尺寸分別137 mm×137 mm×500 mm,105 mm×105 mm×500 mm、105 mm×120 mm×500 mm落葉松膠合木試件,順紋截面上沿縱向中軸線粘貼標(biāo)距為100 mm的電阻應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片一端焊接接線端子,再將電線的一端焊接在接線端子上,另一端則于數(shù)據(jù)采集器連接,數(shù)據(jù)采集器與電腦相連,讀取來自電腦存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(荷載及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變).先預(yù)加載至20 kN,往復(fù)3次使試件進(jìn)入工作狀態(tài)后卸載至0 kN.然后以2 mm/min的速度緩慢加載直至獲取系列數(shù)據(jù),停止加載.

2.3 測(cè)定結(jié)果及分析

整理數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)的荷載-應(yīng)變值,采用數(shù)值分析軟件進(jìn)行一元線性回歸,結(jié)果如表1所示,擬合曲線如圖1所示.

表1 荷載與應(yīng)變的線性回歸方程Tab.1 Linear regression equation of load and strain

注:**表示0.001水平顯著.

圖1 試件的荷載-應(yīng)變擬合曲線Fig.1 The load-strain fitting curve of specimens注:上曲線為試驗(yàn)值,下曲線為擬合曲線;縱坐標(biāo)單位為kN,橫坐標(biāo)單位為μm.

回歸分析結(jié)果表明,彈性范圍內(nèi)落葉松膠合木的荷載與應(yīng)變之間均具有顯著的相關(guān)性,但相關(guān)性是否顯著與受壓截面面積大小無關(guān).

A組試件剛度約在0.23～0.29之間;B組試件剛度約在0.12～0.20之間.因此,A組試件剛度大于B組試件,與受壓截面面積大小有關(guān).

進(jìn)步一處理表1數(shù)據(jù),應(yīng)用式(1)計(jì)算試件的靜彈性模量,每組試件靜彈性模量列于表2中.

表2 落葉松膠合木靜彈性模量Tab.2 The static modulus of elasticity of Dahurian Larch glulam

表2可知,三組不同橫截面尺寸的靜彈性模量有所差別,橫截面尺寸大的彈性模量反而小:A組

通過測(cè)定三組落葉松膠合木的靜彈性模量,計(jì)算所得其值大小為14.48 Gpa.

3 落葉松膠合木動(dòng)彈性模量測(cè)定試驗(yàn)

3.1 原理及儀器

木材的聲學(xué)特性是應(yīng)力波測(cè)定彈性模量的物理基礎(chǔ).其中,縱向應(yīng)力波法則主要用于測(cè)定木材的動(dòng)彈性模量,預(yù)測(cè)木材的力學(xué)性能[8,9].選用FAKOPP 2D儀測(cè)動(dòng)態(tài)模量.

3.2 測(cè)定方法

選用尺寸分別為137 mm×137 mm×500 mm,105 mm×105 mm×500 mm(A、B組)落葉松膠合木試件,將FAKOPP 2D儀器兩端的傳感器沿長(zhǎng)度方向釘入試樣,使其角度α≤45°.用儀器配置的小錘敲擊其中一端的傳感器,應(yīng)力波通過試樣內(nèi)部傳給另一端的傳感器,并在儀器上顯示應(yīng)力波傳播的時(shí)間t.以下公式可求得動(dòng)態(tài)彈性模量[9].

Ed=ρgν2g103

(2)

式中,Ed為木材動(dòng)彈性模量,單位為Mpa

ρ為木材的密度,單位為g/cm3

ν為應(yīng)力波速度,單位為m/s

試驗(yàn)在選取測(cè)試點(diǎn)時(shí)不但考慮可能存在的缺陷、細(xì)裂縫,而且將膠層作為影響因素之一,因此沿著順紋方向(綠色)、橫觀沿邊長(zhǎng)方向(黃色)及體對(duì)角線方向(紅色)布置測(cè)試點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)的布置方法如圖2所示.

圖2 測(cè)試點(diǎn)布置圖Fig.2 The arrangement drawings of test points

3.3 測(cè)定結(jié)果及分析

1)橫觀各向同性.分別計(jì)算不同方向的動(dòng)彈性模量,計(jì)算結(jié)果如表3所示.由此表可知Ez>Ex≈Ey,反映了落葉松膠合木的橫觀各向同性.

表3 落葉松膠合木試件不同方向的動(dòng)彈性模量Tab.3The dynamic elastic modulus of the differentdirections of larch glulam specimens

注:Ez—順紋動(dòng)彈性模量;Ex—橫觀x軸方向動(dòng)彈性模量;Ey—橫觀y軸方向動(dòng)彈性模量;Ed—對(duì)角線方向彈性模量;Exy—橫觀各向同性彈性模量.

2)對(duì)角線方向.為了確定應(yīng)力波傳播最準(zhǔn)確的路徑,計(jì)算Exy、Ed、Ez的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差及變異系數(shù),結(jié)果如表4所示.

表4 Exy、Ed、Ez的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差及變異系數(shù)Tab.4Standard deviation,average deviation andcoefficient of variation of Exy、Ed、Ez

整理表4數(shù)據(jù),有

Ez/Ed=1.68

由表4可知,對(duì)于變異系數(shù),順紋>對(duì)角線>橫紋.因此沿對(duì)角線布置測(cè)試點(diǎn)準(zhǔn)確性高于直接沿順紋測(cè)定,且前者考慮了膠層對(duì)動(dòng)彈性模量的影響,更真實(shí)的反應(yīng)構(gòu)件整體的彈性模量.

4 靜彈性模量與動(dòng)彈性模量的對(duì)比分析

該研究分別采用應(yīng)力應(yīng)變片、應(yīng)力波對(duì)落葉松膠合木進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)彈性模量的測(cè)定,且計(jì)算出順紋方向靜彈性模量ES=14.48Gpa,動(dòng)彈性模量ED=11.95Gpa.易知,兩者相關(guān)系數(shù)r為:

(3)

即

ES=1.23ED

且

(4)

上式說明,在氣干常溫常濕度情況下,落葉松膠合木材順紋方向靜彈性模量比動(dòng)彈性模量的8%左右.靜彈性模量、動(dòng)彈性模量不僅在數(shù)值上存在相關(guān)性.

5 結(jié) 論

1)落葉松膠合木順紋方向靜彈性模量為ES=14.48 Gpa;橫截面尺寸與靜彈性模量成負(fù)相關(guān)性.

2)落葉松膠合木順紋方向動(dòng)彈性模量ED=11.95 Gpa,且Ey/Ex=1.02,Ez/Ex=14.57,Ez/Ey=14.23,因此可以將Ex與Ey看做方向互相垂直的等值彈性模量,證明了落葉松膠合木橫觀各向同性的特征.

3)對(duì)角線方向動(dòng)彈性模量為Ed=7.11 Gpa;與順紋方向動(dòng)彈性模量Ez、橫觀方向Exy均具有相關(guān)性:Ez/Ed=1.68,Exy/Ed=0.12;Ed

4)在氣干常溫常濕度情況下,落葉松膠合木順紋方向靜彈性模量比動(dòng)彈性模量的8%左右;順紋方向靜彈性模量ES與動(dòng)彈性模量ED的相關(guān)系數(shù)r為1.23,即ES=1.23ED;利用落葉松膠合木的動(dòng)彈性模量推算靜彈性模量,簡(jiǎn)便又準(zhǔn)確.

[1] 王智恒,楊小軍.我國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J].木工機(jī)床,2010,(2):5-8.WANGZhi-heng,YANGXiao-jun.ThepresentsituationandthedevelopmentofChina'smoderntimberworkbuildingreview[J].Journalofwoodworkingmachine, 2010,(2):5-8.

[2]GB/T50329—2012,木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T50329-2012,Timberworktestmethodstandard[S].

[3]GB50005—2003,木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50005—2003,Thecodefordesignoftimberstructures[S].

[4]G/T1931—2009,木材含水率測(cè)定方法[S].G/T1931-2009,Lumbermoisturecontentmeasuringmethod[S].

[5]GB/T1933—2009,木材密度測(cè)定方法[S].GB/T1933—2009,Wooddensitydeterminationmethod[S].

[6]ASTMC1419—1999a(2009),聲波速度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[S].ASTMC1419—1999a(2009),StandardTestMethodforSonicVelocity[S].

[7] 孫訓(xùn)芳.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.SUNXun-fang.Materialmechanics[M].Beijing:Highereducationpress, 2006.

[8] 成俊卿.木材學(xué)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1985.CHENGJun-qing.WoodScience[M].Beijing:Chinaforestrypublishinghouse,1985.

[9] 劉鎮(zhèn)波,劉一星,于海鵬等.實(shí)木板材的動(dòng)態(tài)彈性模量檢測(cè)[J].林業(yè)科學(xué),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

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào):201304504-1)

周紅梅(1989-),女,湖南邵東縣人,碩士研究生,研究方向:木結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究.

2095-7300(2015)01-011-04

TU366.2

A