黔東南州杉木物理力學(xué)性能研究

王展光 石 昂 王婷婷 邵建華

(1.凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院 貴州凱里 556011;2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

2014年，黔東南州對(duì)全州民族村寨進(jìn)行了普查，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)全州共有建寨史100年以上、百年未發(fā)生過重大火災(zāi)的、傳統(tǒng)習(xí)俗保存完整的民族村寨726個(gè)，民族村寨95%以上都是木質(zhì)建筑，其材料大部分采用本地生長的杉木。對(duì)黔東南本地生產(chǎn)的杉木材料性能進(jìn)行研究，對(duì)于分析和了解黔東南木結(jié)構(gòu)的性能具有重要的意義。

目前，在木結(jié)構(gòu)規(guī)范和相關(guān)工具書對(duì)杉木的材料力學(xué)性能都有相關(guān)的推薦值[1-3]。如，胡旭對(duì)黔東南木材性能進(jìn)行了初步分析。該試驗(yàn)采用同批次的黔東南生長的杉木，按照木材性能測試規(guī)范的規(guī)定加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)其進(jìn)行木材基本物理性能測試，雖然在總體上對(duì)黔東南生長的杉木材料性能研究還較為缺乏，但該研究對(duì)后續(xù)研究黔東南木結(jié)構(gòu)性能奠定基礎(chǔ)，為黔東南木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維修提供材料性能參數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)和制作

試樣采用從黔東南本地生產(chǎn)的杉木，對(duì)其進(jìn)行抗彎彈性模量、順紋抗拉彈性模量和抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓彈性模量和順紋泊松比、橫紋徑向抗壓彈性模量和橫紋徑向泊松比、橫紋弦向抗壓彈性模量和橫紋弦向泊松比、抗壓強(qiáng)度等幾個(gè)方面基本材料力學(xué)性能進(jìn)行測試，相關(guān)試件的數(shù)量和試件尺寸[5-10]，如表1和圖1所示。

表1 杉木材料性能試件

(a)抗彎彈性模量試件

(b)順紋抗拉彈性模量和強(qiáng)度試件

(c)順紋抗壓彈性模量和泊松比試件 (d) 橫紋徑向彈性模量和泊松比試件

(e)橫紋弦向抗壓彈性模量和泊松比試件 (f) 抗壓強(qiáng)度

1.2 測試內(nèi)容及試驗(yàn)加載

杉木試件加工好后，在相應(yīng)的部位貼上應(yīng)變片，進(jìn)行相關(guān)部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。杉木材料性能實(shí)驗(yàn)在濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW-50E)上進(jìn)行。荷載-位移曲線由IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。對(duì)試件采用控制位移的方法進(jìn)行加載，加載速度為1mm/min，直至整個(gè)構(gòu)件破壞或承載力下降到峰值荷載的50%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 順紋抗拉彈性模量和抗拉強(qiáng)度

黔東南杉木的順紋抗拉彈性模量和抗拉強(qiáng)度的加工試件和試驗(yàn)后的破壞試件(圖2)。其順紋抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)，從圖中可以看出，杉木在順紋拉伸情況，其拉伸曲線幾乎為線性，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃?，?dāng)應(yīng)變達(dá)到最大時(shí)，突然斷裂。

圖2 黔東南杉木的順紋抗拉試件

圖3 順紋抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)所有試件數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，黔東南杉木順紋抗拉彈性模量平均值為10 969.7MPa，順紋抗拉強(qiáng)度平均值為59.64MPa，相關(guān)結(jié)果如表2所示。

表2 順紋抗拉彈性模量和抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 順紋抗壓彈性模量和順紋泊松比

黔東南杉木順紋抗壓試件如圖4所示，其順紋抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在順紋受壓應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長而增長，在不考慮初始變形情況下，其應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為線彈性和彈塑性階段。

圖4 杉木順紋抗壓試件

圖5 順紋抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)所有順紋抗壓數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，黔東南杉木順紋抗壓彈性模量平均值為11 059.7MPa，順紋兩個(gè)方向的泊松比相近，平均值分別為0.548和0.461，相關(guān)結(jié)果如表3～表4所示。

表3 順紋抗壓彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 順紋泊松比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 橫紋徑向抗壓彈性模量和橫紋徑向泊松比

黔東南杉木橫紋徑向抗壓試件如圖6所示，其橫紋徑向抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在橫紋徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線與順紋受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線相似，其受壓應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長而增長，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為兩個(gè)階段，分別為線彈性和彈塑性階段。

圖6 杉木橫紋徑向抗壓試件

圖7 橫紋徑向抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)所有橫紋徑向抗壓數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，黔東南杉木橫紋徑向抗壓彈性模量平均值為217.1MPa，只有順紋抗壓彈性模量的1/50左右；橫紋徑向泊松比平均值為0.018，只有順紋泊松比的1/30左右；相關(guān)結(jié)果如表5～表6所示。

表5 橫紋徑向抗壓彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 橫紋徑向泊松比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 橫紋弦向抗壓彈性模量和橫紋弦向泊松比

黔東南杉木橫紋弦向抗壓試件如圖8所示，其橫紋弦向抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在橫紋弦向應(yīng)力應(yīng)變曲線與杉木順紋受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線相似，其受壓應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長而增長，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為兩個(gè)階段，分別為線彈性和彈塑性階段。

圖8 杉木橫紋弦向抗壓試件

圖9 橫紋弦向抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)所有橫紋弦向抗壓數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，黔東南杉木橫紋徑向抗壓彈性模量平均值為242.7MPa，與橫紋徑向抗壓彈性模量相近；橫紋徑向泊松比平均值分別為0.0127和0.409，其中一個(gè)方向泊松比是另一個(gè)方向的32倍；相關(guān)結(jié)果如表7～表8所示。

表7 橫紋弦向抗壓彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 橫紋弦向泊松比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 抗壓強(qiáng)度

由于杉木為各向異性材料，黔東南杉木的抗壓強(qiáng)度主要包括順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋徑向抗壓強(qiáng)度和橫紋弦向抗壓強(qiáng)度，3個(gè)方向的抗壓強(qiáng)度試件如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。從表9可以看出，該順紋抗壓強(qiáng)度為38.14MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫紋徑向抗壓強(qiáng)度和橫紋弦向抗壓強(qiáng)度,是其的11倍。

(a)順紋 (b) 橫紋徑向 (c) 橫紋弦向

表9 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 抗彎彈性模量

黔東南杉木的抗彎模量試件如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。從表10可以看出，黔東南杉木的抗彎模量2572.2MPa，遠(yuǎn)小于順紋抗壓彈性模量，是順紋抗壓彈性模量的1/4左右；遠(yuǎn)大于橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量，是橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量的10倍。

圖11 杉木抗彎試件

表10 抗彎彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過對(duì)黔東南杉木的木材基本物理性能進(jìn)行測試，結(jié)論如下：

(1)黔東南杉木在順紋拉伸情況下應(yīng)力應(yīng)變曲線為線性。

(2)黔東南杉木在順紋和橫紋壓縮情況下，壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線相似，分為線彈性階段和彈塑性階段，順紋抗壓彈性模量遠(yuǎn)大于橫紋徑向和橫紋弦向彈性模量。

(3)黔東南杉木的抗壓強(qiáng)度主要包括順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋徑向抗壓強(qiáng)度和橫紋弦向抗壓強(qiáng)度，順紋抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫紋徑向抗壓強(qiáng)度和橫紋弦向抗壓強(qiáng)度。

(4)黔東南杉木的抗彎模量遠(yuǎn)小于順紋抗壓彈性模量，遠(yuǎn)大于橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量。