古建筑保護(hù)中的木材順紋受壓性能試驗(yàn)研究

牛慶芳，孟憲杰，李鐵英

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

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古建筑保護(hù)中的木材順紋受壓性能試驗(yàn)研究

牛慶芳，孟憲杰，李鐵英

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

以木結(jié)構(gòu)修繕中最常見(jiàn)的構(gòu)件順紋受壓為研究工況,開(kāi)展了工程中常用5種木材的順紋受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究。采用自制力傳感器與電腦連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄,通過(guò)試件破壞特征以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出:木材順紋受壓破壞形式主要有壓縮破壞和剪切破壞兩種;受壓力-位移曲線表現(xiàn)出明顯的脆性,曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);密度最小的樟子松試件均為壓縮破壞；落葉松試件以壓縮破壞為主,少量試件出現(xiàn)剪切破壞；而密度較大,質(zhì)地較硬的菠蘿格和塔利以剪切破壞為主,甚至出現(xiàn)雙剪破壞。5種木材順紋抗壓強(qiáng)度與密度表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。本研究對(duì)5種木材在木結(jié)構(gòu)修繕中的應(yīng)用提供了非常有價(jià)值的參考。

木結(jié)構(gòu)修繕；木材；順紋受壓；破壞形式；密度

木制結(jié)構(gòu)古建筑作為我國(guó)古建筑的主體,經(jīng)歷了數(shù)百甚至上千年的風(fēng)雨,至今仍有許多完存,是我國(guó)寶貴的文化遺產(chǎn)。但由于長(zhǎng)期的外力及人為因素,木結(jié)構(gòu)古建筑產(chǎn)生了不同程度的損傷,通過(guò)對(duì)木結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的研究可以發(fā)現(xiàn),許多構(gòu)件已經(jīng)嚴(yán)重老化,甚至失去承載能力。木結(jié)構(gòu)的保護(hù)以及修繕工作也一直在進(jìn)行,并取得了顯著的成果,但仍有許多待解決的問(wèn)題。木結(jié)構(gòu)的保護(hù)修繕要遵循一定的原則,其中最重要的一點(diǎn)是要尊重和保持古建筑原貌,不能改動(dòng),因而對(duì)木結(jié)構(gòu)中一些失效構(gòu)件的替換以及大縫隙的填塞是木結(jié)構(gòu)修繕與加固的重要手段。木材作為一種傳統(tǒng)的建筑材料,與現(xiàn)在流行的建筑材料,像混凝土、鋼材等有很大的不同,木材是一種天然的各向異性復(fù)合材料,三個(gè)正交方向分別是順紋方向、橫紋徑向和橫紋弦向,順紋方向平行于紋理,徑向和弦向分別垂直于和平行于年輪,木材在三個(gè)方向上的力學(xué)性能有很大的差異性,因而針對(duì)木結(jié)構(gòu)修繕工作進(jìn)行木材材料性能的研究是非常必要的。

針對(duì)木材性能?chē)?guó)內(nèi)外已有很多研究,洪俊溪[1],黃碩[2],林金國(guó)[3],陳祖松[4],梁善慶[5],陳奕良[6]等人對(duì)分別對(duì)不同木材的密度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量等物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定,為各種木材的應(yīng)用提供了一定的參考;王傳貴[7]等對(duì)不同種源杉木的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究;徐明剛[8]從清代古屋修繕拆卸下來(lái)的杉木構(gòu)件取材,進(jìn)行了舊木材的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試并與新杉木的力學(xué)性能對(duì)比;張燕[9-10]等人研究了復(fù)配堿液處理以及水熱微波處理的木材順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系;MIKSIC A[11]研究了疲勞處理以及年輪方向?qū)ε餐粕紮M紋受壓性能的影響;QING Hai et al[12]結(jié)合木材的微觀構(gòu)造,建立了木材的計(jì)算模型。

木結(jié)構(gòu)古建筑以受壓構(gòu)件居多,構(gòu)件破壞也以受壓破壞為主,木結(jié)構(gòu)修繕過(guò)程中替換的構(gòu)件主要也是此類(lèi)構(gòu)件,為此,本文針對(duì)柱一類(lèi)的順紋受壓構(gòu)件,對(duì)應(yīng)用于古建修繕中的5種替木進(jìn)行順紋受壓性能測(cè)試,從而進(jìn)一步了解木材順紋受壓性能,也為這5種替木的使用提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料

本次木材順紋受壓實(shí)驗(yàn)選用的5種木材為樟子松、落葉松、山樟、菠蘿格、塔利,根據(jù)GB/T 1939—2009《木材順紋抗壓試驗(yàn)方法》制作1組共6個(gè)順紋抗壓標(biāo)準(zhǔn)試件(圖1),并按照GB/T 1939—2009的要求進(jìn)行順紋抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

圖1 順紋抗壓試件(單位:mm)Fig.1 Specimens of parallel-to-grain compression

5種木材順紋受壓試件的平均年輪均在4 mm以下,因而所取標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為30 mm×20 mm×20 mm,長(zhǎng)度方向?yàn)轫樇y方向。在試件進(jìn)行抗壓性能測(cè)試前測(cè)量并記錄各試件的尺寸、含水率和質(zhì)量,試件尺寸測(cè)量采用50分度的游標(biāo)卡尺,含水率采用KT-506含水率測(cè)量?jī)x,質(zhì)量采用精度0.001 g的電子天平測(cè)定,測(cè)量精度均能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 加載及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用加載裝置為力學(xué)試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)加載范圍為0～50 kN,采用千分表以及自制的力傳感器通過(guò)電阻應(yīng)變采集儀器與電腦連接,實(shí)現(xiàn)位移和力的自動(dòng)記錄,同時(shí)保證了力和位移記錄的同步性。自制力傳感器能夠?qū)⒆陨淼淖冃无D(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變信號(hào)通過(guò)電阻應(yīng)變采集儀采集,并輸出到電腦,實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行力傳感器的標(biāo)定,將所施加的荷載與輸出的應(yīng)變建立一定的線性關(guān)系,就可以通過(guò)記錄的應(yīng)變值反算出所施加的荷載。位移記錄也是同樣的原理,將位移與應(yīng)變建立線性關(guān)系,通過(guò)記錄的應(yīng)變值反算出位移值。實(shí)驗(yàn)中將千分表和自制力傳感器接入應(yīng)變采集儀的兩個(gè)通道,同時(shí)輸出各自應(yīng)變值,本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz,力加載速度控制在100 N/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞特征

本次實(shí)驗(yàn)5種木材順紋受壓破壞具有相同的規(guī)律,破壞可分為三個(gè)階段：彈性受壓段,初始?jí)嚎s階段,裂縫產(chǎn)生至最終破壞階段。

圖2 樟子松順紋受壓破壞Fig.2 Parallel-to-grain compression failure of pinus sylvestris

彈性階段5種木材均產(chǎn)生較小的彈性變形,試件均完好。隨著上部荷載的增加,試件開(kāi)始產(chǎn)生裂縫以及明顯的變形,5種木材變形破壞形式有較大的差異。樟子松破壞形式如圖2所示,其破壞模式為“端蓋”受壓破壞,破壞形式較為單一。試件破壞均從上端面即受壓面開(kāi)展,初始破壞為試件中上部被壓縮產(chǎn)生褶皺,下部試件破壞很小,隨著壓縮量增大,下部試件開(kāi)裂,開(kāi)裂部位一邊在試件邊緣區(qū)域,使得部分紋理壓折至剝離,部分試件開(kāi)裂發(fā)生在試件中部,使試件一分為二。

落葉松各試件破壞形式差異性較大,總體有圖3所示的4種破壞形式。

圖3所示的破壞形式與樟子松“端蓋”破壞形式類(lèi)似,試件中上部試件首先壓縮破壞,之后向下發(fā)展,裂縫發(fā)生在試件中部;圖3(b)為木纖維壓折破壞,該破壞發(fā)生在試件的中下部,起始破壞為木材中部纖維壓曲,之后向下壓縮變形,木纖維進(jìn)一步變得扭曲,并伴隨有邊材剝落現(xiàn)象;圖3(c)為試件炸裂破壞,首先試件上端被壓縮,隨著壓縮量的變大,試件從中間向四周炸裂,試件完全失去承載力,這也是試件最嚴(yán)重的破壞形式;圖3(d)為試件斜剪破壞,試件上端面首先被壓縮,進(jìn)一步壓縮變形后,沿試件中部至底角處出現(xiàn)一個(gè)由木纖維滑移所形成的斜面,之后斜面上部試件沿著該斜面向下剪切發(fā)生破壞。

圖3 落葉松順紋受壓破壞Fig.3 Parallel-to-grain compression failure of larch

圖4為山樟受壓破壞的主要破壞模式。圖4(a)為端蓋破壞,其破壞形式與前面所述相同;圖4(b)為層理開(kāi)裂破壞,試件底端首先產(chǎn)生壓縮變形,之后試件沿紋理開(kāi)裂,隨著進(jìn)一步壓縮,開(kāi)裂的紋理被壓折甚至折斷而破壞;圖4(c)所示破壞與“端蓋”破壞形式類(lèi)似,但是其破壞發(fā)生在底面,壓縮變形也是從底面開(kāi)展。

圖4 山樟順紋受壓破壞Fig.4 Parallel-to-grain compression failure of kapur

菠蘿格材質(zhì)較硬,多發(fā)生剪切破壞,如圖5所示。除圖5(d)為底部壓潰破壞外,其余破壞均為各種形式的剪切破壞;圖5(a)和5(b)均為“雙剪破壞”,即破壞過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)剪切面,試件變形主要來(lái)自于剪切變形,壓縮形變很小,圖5(a)中兩剪切面起點(diǎn)在試件同側(cè)的上下兩個(gè)邊角處,終點(diǎn)相交于另一側(cè)面中央處,兩個(gè)剪切面將試件分為上中下三部分,上下部試件向同一方向位移,而中部試件向反方向位移,使得剪切面處的木纖維扭曲,圖5(b)中試件兩剪切面相交于試件中部,將試件分為左中右三部分,中間部分向下剪切變形,左右兩部分試件分別向左右兩邊變形,從而使得交接面以下的木材拉裂,產(chǎn)生較大的裂縫;圖5(c)試件從頂部到底部產(chǎn)生斜向的剪切面,使得剪切面上部試件向下剪切破壞,而圖5(f)中剪切面從試件頂部發(fā)展到試件中部而中止,呈半剪切狀態(tài);圖5(e)中試件在偏上部出現(xiàn)部分剪切,而下部試件主要發(fā)生壓縮變形。塔利破壞形式與菠蘿格類(lèi)似,圖略，但塔利破壞中均為剪切破壞,沒(méi)有出現(xiàn)壓縮破壞。

2.2 力-位移曲線分析

5種木材順紋受壓力-位移曲線如圖6所示。5種木材受壓曲線初始段具有相似的特征,曲線均經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的線性段,之后突然轉(zhuǎn)折向下,該轉(zhuǎn)折點(diǎn)也是木材的破壞點(diǎn),在力—位移曲線上也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的的屈服段,說(shuō)明木材順紋受壓為脆性破壞,即沒(méi)有任何預(yù)知的突然破壞,但曲線直線段的長(zhǎng)度以及斜率有較大的差異,這也說(shuō)明5種木材的抗壓強(qiáng)度以及抗壓彈性模量有較大的差別。5種木材受壓曲線轉(zhuǎn)折后出現(xiàn)了一定的差異,從圖中可以看出,樟子松各試件曲線表現(xiàn)出較好的一致性,而其余木材試件曲線出現(xiàn)較大的離散性,尤以山樟和塔利離散性最大,出現(xiàn)這種情況是由于在彈性階段,試件均未產(chǎn)生破壞,只產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性形變,這一階段各組試件曲線較為一致,當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載后,木材發(fā)生破壞,由于樟子松各試件破壞形式相同,其力-位移曲線沒(méi)有較大差別,而落葉松、山樟、菠蘿格、塔利各組試件破壞形式有較大的差異,導(dǎo)致其力—位移曲線離散性較大,這也說(shuō)明木材的破壞形式對(duì)其力-位移曲線有較大的影響。

圖5 菠蘿格順紋受壓破壞Fig.5 Parallel-to-grain compression failure of merbau

圖6 5種木材順紋受壓力-位移曲線Fig.6 Parallel-to-grain compression force-displacement curves of five kinds of wood

2.3 強(qiáng)度與密度關(guān)系分析

5種木材順紋抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。

影響木材順紋抗壓強(qiáng)度因素有木材含水率、環(huán)境溫度、木材缺陷、木材密度等,由于本次實(shí)驗(yàn)取材為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)瑕疵試件,并且都在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)溫度恒定,從表中數(shù)據(jù)可以看出,本次實(shí)驗(yàn)5種木材試件含水率接近,因而可忽略含水率對(duì)木材抗壓強(qiáng)度的影響,因此木材密度對(duì)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)静牡捻樇y抗壓強(qiáng)度有決定性的影響。5種木材順紋抗壓強(qiáng)度與密度關(guān)系見(jiàn)圖7。

從圖7中可以看出,除落葉松外,木材順紋抗壓強(qiáng)度與木材密度呈正相關(guān)關(guān)系,木材抗壓強(qiáng)度隨密度增大而增大,并且具有顯著地線性關(guān)系,擬合結(jié)果如下:

表1 5種木材順紋抗壓強(qiáng)度

圖7 5種木材順紋抗壓強(qiáng)度與密度關(guān)系Fig.7 Relationship between compression strength and density of the five kinds of wood

可見(jiàn)木材順紋抗壓強(qiáng)度與密度之間有很好的線性關(guān)系,而落葉松抗壓強(qiáng)度的變異性,也說(shuō)明了樹(shù)種對(duì)木材材性也有一定的影響。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)5種木材順紋受壓性能測(cè)試,得到結(jié)論如下:

1) 5種木材順紋受壓破壞分為三個(gè)階段-彈性受壓段,初始?jí)嚎s階段,裂縫產(chǎn)生至最終破壞階段,但5種木材的破壞形式有明顯的差異,密度最小的樟子松試件均為壓縮破壞,落葉松試件以壓縮破壞為主,少量試件出現(xiàn)剪切破壞,而密度較大,質(zhì)地較硬的菠蘿格和塔利以剪切破壞為主,甚至出現(xiàn)雙剪破壞。

2) 5種木材順紋受壓力-位移曲線均表現(xiàn)出脆性破壞的特征,曲線在經(jīng)過(guò)線性段后急轉(zhuǎn)而下,曲線下降段受木材破壞形式的影響較大。

3) 從木材順紋抗壓強(qiáng)度與密度關(guān)系分析來(lái)看,木材強(qiáng)度隨著密度變大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),并且有較好的線性相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.987。

4) 通過(guò)5種替木順紋受壓特性分析,對(duì)5種替木的應(yīng)用提供了一定的參考:替木首先要滿足強(qiáng)度要求,可根據(jù)所需替換構(gòu)件的實(shí)際荷載選取合適的替木;在強(qiáng)度滿足要求的前提下,從本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,密度較小的木材其破壞形式較單一,力-位移曲線離散性較小,木材性質(zhì)更穩(wěn)定,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇;由于修繕過(guò)程中多采用新木材,應(yīng)盡量保證新木材與所替換木材力學(xué)性能相近,結(jié)合木結(jié)構(gòu)構(gòu)件殘損現(xiàn)狀,采用與其變形破壞模式相近的木材,從而保證替木與原有構(gòu)件共同工作。

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(編輯：賈麗紅)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目：古建木構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估、安全極限與性能保持(51338001)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：古建筑保護(hù)技術(shù)應(yīng)用的時(shí)變性能評(píng)價(jià)方法與重載下木骨架修繕關(guān)鍵技術(shù)研究(51278324)

牛慶芳(1979-),女,山西臨汾人，博士生，主要從事古建筑木結(jié)構(gòu)材料性能的研究和古建筑的修繕研究， (E-mail)niuqingfang@tyut.edu.cn

李鐵英,教授,博導(dǎo),主要從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