低應(yīng)變率對云南松順紋抗壓強度的影響1)

劉建輝 徐國林 柏亞雙 耿穩(wěn)清 林宇杰

(西南林業(yè)大學(xué),昆明,650224)

木材是綠色建筑材料,具有良好的力學(xué)性能,被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)[1-2]。使用木材前,須通過試驗測試木材的力學(xué)參數(shù),評估木材力學(xué)性能。但現(xiàn)有試驗規(guī)范未關(guān)注應(yīng)變率對木材力學(xué)性能的影響,如進行木材抗拉、抗壓強度試驗時,規(guī)范[3-4]只建議加載時,控制試件在1.5～2.0 min內(nèi)破壞,忽視應(yīng)變率對木材力學(xué)性能的影響。劉建輝等[5]在研究木材非線性分析模型時,指出需考慮應(yīng)變率對木材力學(xué)性能的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對木材應(yīng)變率問題進行了大量研究,如Polocoser[6]總結(jié)木材在中、高應(yīng)變率時的測試結(jié)果,指出應(yīng)變率會影響木材彈性模量、斷裂模量;竇金龍[7]利用分離式霍普金森壓桿實驗探究桉木干、濕材在高應(yīng)變率時的力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)桉木干、濕材的屈服強度均隨應(yīng)變率增大而增大;劉云川[8]利用分離式霍普金森壓桿實驗、一維應(yīng)力波理論分析楊木在沖擊荷載時的力學(xué)特性,指出楊木順紋抗壓強度具有應(yīng)變率敏感性,使用對數(shù)律可以很好地說明應(yīng)變率對楊木抗壓強度的影響;孫雪[9]探究木材順紋彈性模量在應(yīng)變率為10-3～10-5s-1范圍內(nèi)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)木材順紋方向彈性模量隨應(yīng)變率增大而增大;趙帥[10]發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變率為500～5 000 s-1范圍內(nèi),俄羅斯紅松順紋方向屈服應(yīng)力的應(yīng)變率敏感性大于弦向、徑向的應(yīng)變率敏感性,且弦向、徑向的吸能能力隨應(yīng)變率增大而提高。

針對木材應(yīng)變率的現(xiàn)有研究,許多都是利用高應(yīng)變率試驗進行的,對木材在中、低應(yīng)變率時,應(yīng)變率敏感特性研究并不多。Wouts[11]研究云杉、山毛櫸在低、中、高應(yīng)變率范圍內(nèi)變化時的力學(xué)特性,指出木材的性質(zhì)是應(yīng)變率敏感的,應(yīng)變率對木材的縱向失效機制有很大影響。因此,需進一步研究在中、低應(yīng)變率時,木材破壞形態(tài)、力學(xué)性能的變化規(guī)律。此外,研究者往往更關(guān)注不同應(yīng)變率時,木材強度的變化規(guī)律,忽視了相同試件峰值位移的變化規(guī)律。且在分析木材應(yīng)變率效應(yīng)時,很少有學(xué)者使用能量演化方法去解釋木材的應(yīng)變率效應(yīng)。我國地震多發(fā),木結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時,其安全性能會受到嚴重影響。云南是罕遇地震頻發(fā)的省份,當(dāng)?shù)鼐用裉貏e是藏族居民常利用云南松建造房屋,但目前針對云南松中、低應(yīng)變率的研究未見報道。地震作用時,慣性力引起的木材應(yīng)變率常介于1×10-4～1×10-2s-1之間[12],此范圍與中、低應(yīng)變率范圍基本重合。鑒于此,本研究選取云南松木材作為研究對象,測試尺寸為30 mm×30 mm×40 mm的木材試件在1×10-4、1×10-3、5×10-3、1×10-2s-1這4種應(yīng)變率時的順紋抗壓強度、峰值位移,觀察云南松試件在4種應(yīng)變率時的破壞形態(tài),并利用能量演化方法,分析木材的應(yīng)變率效應(yīng)。

1 材料與方法

本試驗選取缺陷較少的云南松鋸材作為原木材,將鋸材切割、壓刨成尺寸為30 mm×30 mm×650 mm的規(guī)格材,共加工13根規(guī)格材,按A～M進行編號。再將規(guī)格材切割成尺寸為30 mm×30 mm×40 mm的木材試件,其中40 mm的方向為木材順紋方向(圖1)。試件在測試前,需進行含水率平衡處理,將試件放到溫度為25 ℃的室內(nèi),待試件含水率達到平衡(試件的含水率約為12%)。為保證每根規(guī)格材切割成的試件可在4種應(yīng)變率時進行試驗,同時參考GB/T50329-2012《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》中對試件數(shù)量的規(guī)定,本研究將每根規(guī)格材加工得到的試件分為4組,每種應(yīng)變率有39個試件。

本試驗參考GB/T50329-2012《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》、GB/T1935-2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》,使用600 kN微機控制電液伺服壓力試驗機對木材試件進行加載(圖2)。為保證試件受力均勻,壓力試驗機上下均使用球鉸。本試驗設(shè)計了4種加載速度,以位移方式進行加載,分別采用0.24、2.40、12.00、24.00 mm·s-1共4種加載速度對云南松試件沿順紋方向開展軸壓實驗,4種加載速度對應(yīng)的應(yīng)變率分別為1×10-4、1×10-3、5×10-3、1×10-2s-1。

圖2 試驗裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞現(xiàn)象與破壞機理

圖3為試件在不同應(yīng)變率時的破壞圖。從圖3(a)可以看出,應(yīng)變率為1×10-4s-1時,木材試件破壞較輕微,破壞模式主要有兩種,一種是頂部壓潰,發(fā)生褶皺,纖維被壓折;另一種是斜向剪切破壞。應(yīng)變率為1×10-3s-1時,試件出現(xiàn)了較嚴重的斜向剪切破壞。此外,也有試件發(fā)生頂部壓潰伴隨中部劈裂破壞(圖3(b))。應(yīng)變率為5×10-3s-1時,試件破壞模式與應(yīng)變率為1×10-3s-1時的破壞模式相似,但破壞更為嚴重(圖3(c)),除發(fā)生更大程度的斜向剪切破壞外,還伴隨著中部劈裂破壞。而應(yīng)變率為1×10-2s-1時,試件破壞最嚴重(圖3(d)),試件破壞模式有頂部壓潰破壞、斜向剪切破壞、中部及邊緣部劈裂破壞,試件破壞點較為離散。

圖3 試件破壞圖

不同應(yīng)變率時,木材試件破壞形態(tài)不同。這是由于當(dāng)加載速率較小時,木材受壓應(yīng)力能夠均勻分布,因此試件的破壞形態(tài)主要是纖維發(fā)生剪切錯位。當(dāng)加載速率增大,試件破壞形態(tài)發(fā)生明顯的差異性,部分試件在順紋壓縮作用下發(fā)生徑向膨脹,出現(xiàn)劈裂破壞。其主要原因在于,速率增大,試件破壞時間縮短,導(dǎo)致加載過程中試件無法在短時間內(nèi)形成均勻應(yīng)力狀態(tài),因此,破壞將從木材試件截面損傷點位置開始向外擴展,最終導(dǎo)致試件破壞。

對木材試件整個受力過程進行分析,以B組、E組、G組木材試件為例,從3組試件的荷載-位移曲線圖可以看出,木材順紋方向壓縮變形過程,可分為彈性變形、塑性變形的2個階段(圖4)。加載初期,試件為彈性變形,纖維素、木質(zhì)素逐漸被壓縮;當(dāng)達到峰值荷載時,試件進入塑性變形階段,木材胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲、胞孔坍塌、胞元被破壞,試件繼續(xù)變形,所需的載荷減小。

圖4 各尺寸試件平均荷載-位移曲線

2.2 試件在不同應(yīng)變率時的順紋抗壓強度

各組試件在不同應(yīng)變率時的平均抗壓強度見表1,B、C、D、E、F、G、M組試件的抗壓強度隨應(yīng)變率增大而增大;A、L、J組試件的抗壓強度,總體呈現(xiàn)隨應(yīng)變率增大而增大的趨勢,但試件在應(yīng)變率為1×10-3s-1時的抗壓強度小于應(yīng)變率為5×10-3s-1時的抗壓強度;H、I、K組試件的抗壓強度,總體也呈現(xiàn)隨應(yīng)變率增大而增大的趨勢,但試件在應(yīng)變率為5×10-3s-1時的抗壓強度大于應(yīng)變率為1×10-2s-1時的抗壓強度。對各組數(shù)據(jù)進行方差分析(表2),可以看出應(yīng)變率對試件順紋抗壓強度具有顯著影響(p<0.01)。對4種應(yīng)變率的木材試件的順紋抗壓強度取平均值,分別為46.78、50.66、53.40、54.67 MPa,試件抗壓強度隨應(yīng)變率增大而增大。因此,可忽略H、I、K、A、L、J組試件順紋抗壓出現(xiàn)的差異。

表1 不同應(yīng)變率時試件抗壓強度

表2 云南松試件順紋抗壓強度方差分析結(jié)果

為評估材料的應(yīng)變率敏感特性,通常使用動力提高系數(shù)(DIF)表征材料的應(yīng)變率效應(yīng)[13-14]。本研究中使用對數(shù)表達式,表示云南松順紋抗壓強度(DIF):

(1)

式中:σ為當(dāng)前應(yīng)力(MPa);ε為當(dāng)前應(yīng)變率;σ0為準靜態(tài)應(yīng)力(MPa);ε0為準靜態(tài)應(yīng)變率。

本研究以1×10-4s-1為準靜態(tài)應(yīng)變率。以動力提高系數(shù)(DIF)為縱坐標,以當(dāng)前應(yīng)變率與準靜態(tài)應(yīng)變率比值的對數(shù)為橫坐標進行線性擬合(圖5)。從圖5可以看出,數(shù)據(jù)點幾乎都在擬合曲線上,且R2為0.999 84,非常接近1,這說明木材的順紋抗壓強度(DIF)與應(yīng)變率之間存在明顯的線性關(guān)系。此外,得到λ值為0.083 77。因此,式(1)可改寫為:

圖5 動力提高系數(shù)與應(yīng)變率間的擬合曲線

(2)

2.3 試件在不同應(yīng)變率時的峰值位移

表3為各組試件在不同應(yīng)變率時,峰值位移的平均值。從表3可以看出,應(yīng)變率為1×10-3s-1時,試件的峰值位移最大;應(yīng)變率為5×10-3s-1時,試件的峰值位移最小。對各組數(shù)據(jù)進行方差分析(表4),應(yīng)變率對試件峰值位移具有顯著影響。對每種應(yīng)變率時的木材試件峰值位移取平均值,得到4種應(yīng)變率的試件平均峰值位移為1.57、1.72、1.16、1.47 mm,由此可知,試件的峰值位移未表現(xiàn)出隨應(yīng)變率增大而增大的趨勢。將應(yīng)變率作為橫坐標,峰值位移作為縱坐標進行擬合(圖6)。從圖6可以看出,數(shù)據(jù)點遠遠偏離擬合曲線,擬合效果很差,這說明木材試件的峰值位移與應(yīng)變率之間不存在明顯的線性關(guān)系。

表3 不同應(yīng)變率時試件峰值的位移

表4 云南松試件峰值位移方差分析結(jié)果

圖6 峰值位移與應(yīng)變率的擬合曲線

2.4 試件的應(yīng)變率效應(yīng)

研究人員主要使用黏性效應(yīng)、慣性作用、裂紋演化3種理論解釋材料的應(yīng)變率效應(yīng)[15],也有學(xué)者使用能量演化方法解釋各向異性材料的應(yīng)變率效應(yīng)[16-17],如謝和平[18]提出基于能量耗散與釋放的強度破壞準則,該理論假設(shè)外力對材料單元做的功,等于材料單元的可釋放應(yīng)變能與耗散能之和:

U=Ud+Ue。

(3)

式中:U為壓力機對材料單元做的功(J);Ud為單元耗散能(J);Ue為單元可釋放彈性應(yīng)變能(J)。鑒于木材的材料特性,利用此理論分析應(yīng)變率效應(yīng)。由于本試驗是單向加載的,因此,式(3)可進一步簡化為[5]:

(4)

式中:σ為應(yīng)力(MPa);ε為應(yīng)變。由于試驗中云南松木材試件只有30 mm×30 mm×40 mm一種尺寸,因此,式(4)可改寫為:

(5)

式中:U為壓力機對試件做的功(J);f為荷載(kN);x為位移(mm)。以G組試件為例,將4組應(yīng)變率的試件荷載-位移曲線進行歸一化處理,以歸一化的荷載-位移曲線作為G組試件,使用式(5)計算壓力機對云南松試件在4種應(yīng)變率下加載1 mm時做的功,其值分別為23.27、26.16、31.65、32.43 J。由表1可知,G組試件在4種應(yīng)變率時,平均順紋抗壓強度為48.34、50.96、52.05、52.93 MPa。由此可知,試件順紋抗壓強度與吸能能力,整體隨應(yīng)變率增大而增大。這說明能量演化方法可用于解釋木材的應(yīng)變率效應(yīng)。

3 結(jié)論

本研究開展云南松木材試件軸壓試驗,研究了不同地震應(yīng)變率時,木材順紋抗壓強度、峰值位移的變化規(guī)律。

隨著應(yīng)變率增大,云南松木材試件的破壞程度越大,破壞模式越多,斜向剪切破壞和劈裂破壞越明顯。

云南松木材試件的順紋抗壓強度和峰值位移存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng),順紋抗壓強度隨應(yīng)變率增大而增大,與應(yīng)變率間存在明顯線性關(guān)系。而峰值位移隨應(yīng)變率的變化相對離散,不存在明顯線性關(guān)系。

能量演化方法可用于解釋木材的應(yīng)變率效應(yīng),利用該方法計算出不同應(yīng)變率時的壓力做功,也隨應(yīng)變率增大而增大,這與順紋抗壓強度變化規(guī)律一致。

使用線性擬合方法給出了云南松順紋抗壓強度動力提高系數(shù)表達式,利用該系數(shù)可實現(xiàn)應(yīng)變率不同時,云南松木材測試抗壓強度的調(diào)整。