木柱抗橫向沖擊性能研究

羅卓卓 張繼承 杜國鋒 毛振豪 馬乾坤

摘 要：為研究圓木柱抗沖擊性能，利用自主設計的簡易落錘式試驗機對圓木柱進行橫向沖擊試驗。運用高速相機記錄各試件在沖擊過程中裂縫的發(fā)生、發(fā)展直至破壞的全過程，并且利用數(shù)字圖像相關技術（digital image correlation method，DIC）獲得試件的位移云圖和沖擊撓度，分析沖擊高度和沖擊位置等關鍵因素對木柱橫向沖擊動力響應的影響。結果表明，試件在沖擊荷載作用下的整體變形表現(xiàn)為由受拉引起的彎曲變形，裂縫首先在試件底部產(chǎn)生，然后迅速在側面并向上發(fā)展。隨沖擊位置由跨中向支座處靠近，對應的撓度越來越小，即跨中為最不利沖擊位置，而沖擊位置對沖擊力峰值和沖擊持續(xù)時間的影響有限。

關鍵詞：圓木柱；橫向沖擊；沖擊位置；數(shù)字圖像相關

中圖分類號：TU366.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0208-09

Study on the Lateral Impact Resistance of Wooden Columns

LUO Zhuozhuo， ZHANG Jicheng， DU Guofeng， MAO Zhenhao， MA Qiankun

（School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract：In order to study the impact resistance of round wood columns， a simple drop hammer test machine designed by ourselves was used to conduct lateral impact tests on round wood columns. A high-speed camera was used to record the whole process of crack occurrence， development and damage of each specimen during the impact process， and the displacement cloud chart and impact deflection of the specimens were obtained by digital image correlation （DIC） technique. The effects of key factors such as impact height and impact location on the lateral impact dynamic response of the wooden column were analyzed. The test results showed that the overall deformation of the specimen under impact loading was characterised by bending deformation caused by tensile forces， with cracks first arising at the bottom of the specimen and then rapidly developing at the sides and upwards. With the impact position approaching from midspan to support， the corresponding deflection became smaller and smaller， that was， midspan was the most unfavorable impact position， and the impact location had limited effect on the peak impact force and impact duration.

Keywords：Round wood column; lateral impact; impact position; digital image correlation

收稿日期：2022-12-16

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51778065）。

第一作者簡介：羅卓卓，碩士研究生。研究方向為木結構。E-mail：1494103572@qq.com

*通信作者：張繼承，博士，教授。研究方向為鋼管混凝土。E-mail：Zhangjicheng@yangtzeu.edu.cn

引文格式：羅卓卓，張繼承，杜國峰，等. 木柱抗橫向沖擊性能研究 [J]. 森林工程， 2023， 39（6）：208-216.

LUO Z Z， ZHANG J C， DU G F， et al. Study on the lateral impact resistance of wooden columns[J]. Forest Engineering， 2023， 39 （6）：208-216.

0 引言

木柱作為木結構最基本的構件之一，在人為災害（如車輛撞擊）和自然災害作用下均可能承受沖擊荷載的作用。認識和把握木結構在沖擊等強動力荷載作用下的性能是土木工程防災減災領域的重要課題之一。

木材是最常見的建筑材料之一，具有生態(tài)環(huán)保、保溫隔熱和易于加工等諸多優(yōu)點，已被廣泛應用于現(xiàn)代建筑。目前，國內(nèi)外學者主要集中于木柱或木梁在靜力、抗震以及火災方面的研究。李鐵英等對木結構的抗震性能進行了評估；曾丹等及楊孝博等對落葉松膠合木柱的軸心受壓性能進行了試驗研究；Okamoto等對不同試件高度的膠合層木板試件進行了三點彎曲試驗，抗彎強度隨試件高度的增加而降低，但當試件高度超過100 mm時，抗彎強度的下降幅度隨試件高度的增加而減小。林佶等對落葉松膠合木柱的偏心受壓性能進行了試驗以及有限元模擬研究；Zhang等研究了在偏心壓縮載荷下縱向開裂的膠合木柱的力學性能。許清風等分別對木梁和木柱進行了三面、四面受火后力學性能的對比試驗研究。上述對木構件的研究均在抗震、靜力以及火災方面，而對木構件在沖擊荷載作用下的研究還非常有限，因此，有必要對木構件的抗沖擊性能進一步的探討。

數(shù)字圖像相關法所需要的試驗準備相比于其他直接測量裂縫的方法簡單，具有非接觸、非破壞和對環(huán)境要求低等優(yōu)點?；谶@些優(yōu)點，數(shù)字圖像相關法在工程應用中非常廣泛。如Liu等用數(shù)字圖像相關法測量在沖擊荷載作用下碳纖維布加固的木梁在軸向力作用下的撓度；項勝在進行高溫后混凝土和箍筋約束混凝土力學性能試驗時，采用了數(shù)字圖像相關方法對混凝土表面變形和裂縫進行了全場監(jiān)測； Jeong等用數(shù)字圖像相關法研究拉伸試驗評價日本落葉松（Larix gmelinii）、赤松（Pinus densiflora）、紅松（Pinus koraiensis）和日本柳杉（Cryptomeria japonica var. sinensis）的正交異性，獲得木梁的應變分布云圖。

綜上所述，本研究設計了6根圓木柱試件，采用落錘試驗裝置對圓木柱進行橫向沖擊試驗，利用數(shù)字圖像相關技術（digital image correlation method，DIC）獲得試件的沖擊撓度并觀察試件的初始裂縫和裂縫發(fā)展路徑。以沖擊高度和沖擊位置為變化參數(shù)對圓木柱抗橫向沖擊性能進行細致分析，以期為該類結構的研究提供參考。

1 試驗設計

1.1 試件設計

試驗共設計了6根圓形木柱試件，所用木材由東北落葉松（Larix gmelinii）原木制成，密度為0.54 g/cm，由于試驗設備和場地的限制，所有試件長度均為1 000 mm，直徑為100 mm。用自制夾具將試件兩端夾住，并用螺栓將其固定在加載支座上，形成兩端簡支的邊界條件，凈跨為750 mm，伸出支座長度為125 mm。試驗變量有沖擊高度（H=1.0、1.5 m）和沖擊位置（L=1/2h、1/3h和1/4h，h為試件凈跨）。各試件的詳細參數(shù)見表1。

1.2 試驗裝置

試驗在長江大學結構試驗室使用自主設計的簡易落錘試驗機上完成，試驗裝置如圖1所示。落錘試驗機主要由支座（與地錨固）、落球和軌道組成。其中軌道由大型門架、PVC管（直徑0.25 m）、卡扣、螺桿、滑輪和繩子組成，門架總高度3 m，有效沖擊高度2.4 m；落球由實心球和焊環(huán)組成，總質(zhì)量42 kg，直徑0.23 m，總高度0.5 m（加焊環(huán)），如圖1（c）所示，實心球材料是軸承鋼，因此具有較高的硬度，在撞擊木頭時基本不發(fā)生變形。沖擊試驗前，將構件對稱放置在支座上，然后通過高強螺栓將試件兩端固定，通過移動螺桿和平底螺母來改變沖擊位置，如圖1（d）所示。最后通過滑輪和繩子把實心球拉到指定高度并釋放，完成沖擊加載。

1.3 試驗量測

試驗中記錄了沖擊力、位移以及試件應變的時程曲線。其中，沖擊力時程曲線由固定在落球上部的LC0407T型加速度傳感器記錄，采集頻率2 kHz。為分析沖擊時木頭表面應變，在木頭表面粘貼10個應變片。為分析沖擊時木頭表面應變，在木頭表面粘貼10個應變片（S-1—S-10），在A-A截面處粘貼了4個應變片（S-1—S-4），S-1和S-2分別為底部環(huán)向和縱向應變，S-3和S-4分別為側面環(huán)向和縱向應變；在B-B處截面粘貼了6個應變片（S-5—S-10），S-5和S-6分別為底部環(huán)向和縱向應變，S-7和S-8分別為側面環(huán)向和縱向應變，S-9和S-10分別為頂部環(huán)向和縱向應變，應變片布置信息如圖2所示；采用DH5908無線動態(tài)應變采集儀對試件的應變進行記錄，采集頻率1 kHz；位移時程曲線通過高速攝像機拍攝試件側面散斑區(qū)域的運動軌跡進行記錄，拍攝速度為2 000幀/s。

2 結果與分析

2.1 試驗過程和破壞模式

2.1.1 沖擊過程

圖3為高速相機記錄到試件（H1.0 L1/2）的沖擊過程，其中t表示從錘子開始落下那一刻起的沖擊時間。由圖3可以看到，落錘沖擊試件的過程可分為6個階段：落錘從指定高度自由落下，落至試件上表面接觸前，落錘獲得最大的動能，如圖3（a）所示；落錘撞擊試件，試件獲得動能，試件與落錘一起向下運動，如圖3（b）所示；運動過程中試件的塑性變形消耗落錘的動能，落錘速度逐漸減小，當落錘速度減小為零時，試件和落錘保持相對靜止狀態(tài)，試件變形達到最大，如圖3（c）所示；之后儲存在試件內(nèi)的彈性勢能釋放，落錘隨試件開始向上運動，如圖3（d）所示；向上一段距離后，落錘則脫離試件繼續(xù)向上減速運動，試件由于自身剛度再次向下運動，在平衡位置附近自由振動，如圖3（e）所示；落錘上升至一定高度后再次向下撞擊試件，反復微小的撞擊后由于能量耗盡，落錘與試件最終靜止，如圖3（f）所示。整個沖擊過程持續(xù)約一百多毫秒。2.1.2 破壞模式

圖4（a）給出了不同沖擊位置木柱破壞情況，圖4（b）給出了不同沖擊高度木柱破壞情況。

1）從圖3可以看出，對沖擊高度為1.0 m的試件H1.0 L1/2，在t=12 ms時，試件在沖擊位置下有傾斜裂縫產(chǎn)生，然后往上發(fā)展但并不顯著，試件其他部位基本保持直線狀態(tài)，而且試件的整體變形表現(xiàn)為彎曲變形；對沖擊高度為1.5 m的試件H1.5 L1/2，試件產(chǎn)生的裂縫較試件H1.0 L1/2相比更大，并且有較大的剪切裂縫產(chǎn)生沿橫向發(fā)展，試件整體彎曲變形更明顯，如圖4（b）所示。

2）由圖4（a）可知，對相同沖擊高度下沖擊位置不同的試件H1.5 L1/2、H1.5 L1/3、H1.5 L1/4分析可以看出，試件H1.5 L1/2不僅有縱向的裂縫還有橫向的剪切裂縫產(chǎn)生，而其他2個試件只有縱向的裂縫，試件H1.5 L1/2、H1.5 L1/3中最大變形達到了121.439 mm（表1），且基本喪失承載力，而試件H1.5 L1/4變形次之最大變形為92.079 mm。

綜上分析，試驗使用的是簡支邊界條件，因此主要的破壞位置在撞擊點處。木柱在3種不同沖擊位置、2種沖擊高度下，裂縫發(fā)展過程類似，首先在底部產(chǎn)生縱向和橫向裂縫，然后迅速在側面并往上發(fā)展，其余部位基本無破壞。

2.2 沖擊力時程（F-t）曲線

沖擊力是分析沖擊試驗的關鍵參數(shù)之一，是落錘與試件之間的接觸力。表1中給出了各試件的沖擊荷載參數(shù)，圖5給出了所有試件承受的沖擊力時程（F-t）曲線。由圖5可知，在沖擊荷載作用下，所有的試件均有相似的波動趨勢，基本上分為振動、穩(wěn)定和下降3個階段。在第1階段，當試件從零加速到接近落錘的速度時，沖擊力在短時間內(nèi)達到峰值，突然的橫向沖擊引起試件劇烈的彎曲變形，試件與球的接觸面積快速變化，因此在此階段沖擊力波動較大。在第2階段，試件在沖擊載荷作用下從零速度加速，逐漸變形。試件和落錘一起向下運動并保持接觸，沖擊力在峰值減小的過程中，落錘由于試件的阻力持續(xù)的減速，試件的速度大于落錘的速度，沖擊力數(shù)值保持在某一數(shù)值（通常稱為平臺值）附近波動。第3階段，試件位移達到最大值后，由于彈性變形的恢復試件發(fā)生回彈，沖擊力進入下降階段，直至試件和落錘分離，沖擊力減小到零。

另外，由圖6可知，沖擊高度相同時，不同沖擊位置下的沖擊力程曲線的趨勢基本一致；隨著沖擊位置向支座處靠近，試件變形區(qū)別不明顯，沖擊力峰值（以1.5 m高度為例）由26.27 kN減小至23.84 kN，相差并不顯著，和圖4所描述的破壞模式一致。在同一沖擊位置（1/2h）時，沖擊高度為1.5 m的沖擊力峰值比1.0 m高出37.34%（1/3h為39.50%、1/4h為37.16%），即沖擊高度越高，沖擊力峰值越大，試件整體變形也越大，但是不影響沖擊力時程曲線的波動趨勢。

2.3 撓度時程（Δ-t）曲線

在整個試驗過程中，使用高速相機記錄整個沖擊過程，保存落錘剛開始接觸試件表面到落錘靜止在試件上這個時間段的照片；然后將照片導入XTDIC三維全場應變測量分析（XTDIC 3D full-field strain measurement analysis）軟件進行相關分析，將散斑區(qū)域劃分為等量的虛擬網(wǎng)格，即子集。根據(jù)數(shù)字圖像相關（ digital image correlation，DIC）程序設定的算法，通過計算這些網(wǎng)格上的點的運動，得到整個散斑區(qū)域的位移。

圖7給出了采用DIC分析的位移云圖（以H1.0 L1/2試件為例），分別是落球剛接觸試件表面、最大位移處和靜止階段3個位置處的垂直變形。落球剛接觸試件表面時，試件的最大位移為2.675 mm，表明試件的整體變形尚不明顯，主要是局部變形。在最大位移處時，可以看到試件有明顯的整體變形和破壞裂縫，裂縫出現(xiàn)在沖擊位置底部，呈現(xiàn)張拉裂縫，最大位移為41.737 mm。在靜止階段時，可以看到裂縫發(fā)展完成，裂縫在底部迅速發(fā)展至側面，如圖7（c）所示，從圖7（c）中可以看到試件殘余位移為37.846 mm，表明試件在沖擊過程中最大位移回彈了約4 mm；并且與圖3落錘沖擊過程和圖4破壞模式都相對應。

試件的撓度時程（Δ-t）曲線如圖8所示，由圖8可以看出，雖然試驗時沖擊力時程曲線出現(xiàn)了劇烈的振蕩，但是位移時程曲線幾乎呈線性變化，隨著落錘下降速度減小，試件位移趨于穩(wěn)定，達到峰值點；之后，由于沖擊能量大部分被吸收和耗散，落錘和試件出現(xiàn)回彈，試件由于彈性逐漸恢復一部分變形。由圖8（a）和8（b）及表1可知，隨沖擊高度的增大，位移相應增大，試件H1.5 L1/2較試件H1.0 L1/2相比最大位移增大了64%，殘余位移也相應增大了約為60 mm。當沖擊高度相同時，以1 m沖擊高度為例，隨著沖擊位置由跨中移動至接近支座處時，對應的撓度峰值由43.43 mm減小至28.71 mm，撓度的平臺值約從40 mm減小至18 mm，同時沖擊持續(xù)時間約從100 ms減小至60 ms。分析表明，沖擊位置為跨中時，試件變形更明顯，撓度峰值更大，即跨中為最不利沖擊位置。

2.4 沖擊力（F）-撓度（Δ）曲線

試件承受的沖擊力（F）-撓度（Δ）曲線如圖9所示。沖擊力在達到峰值前（以H1.5 L1/4試件為例），沖擊力急劇上升，位移達到約7 mm時沖擊力增長變緩慢了；當沖擊力到達峰值時，試件的撓度在20 mm左右，表明試件整體有微小的變形。沖擊力在峰值后急劇下降，試件撓度逐漸增大。當沖擊力進入平臺段，試件撓度大幅度變大，在平臺階段結束時出現(xiàn)最大撓度。之后，隨著彈性勢能的釋放，試件開始回彈，由于木材剛度小，回彈時間短。

沖擊力和撓度都經(jīng)歷了下降階段，直到?jīng)_擊力降為零，最后，試件開始自由振動，直到能量完全耗散。

2.5 縱向應變時程曲線

圖10給出了試件不同位置的縱向應變時程曲線，具體的應變片布置如圖2所示。應變?yōu)檎硎臼芾瑧優(yōu)樨摫硎臼軌?。由圖10可知，所有試件的最大縱向拉伸應變都出現(xiàn)在底部（S-2和S-6），應變時程曲線與沖擊力時程曲線趨勢相似，包括上升階段、反彈階段和殘余階段。在同一沖擊位置，1.5 m沖擊高度的應變均比1.0 m高度遠遠高出，表明沖擊高度越高，應變也越大，如圖10（a）（b）（c）（d）所示。在相同高度下，沖擊不同位置的應變峰值有細微差異，說明沖擊不同位置對應變的影響有限；沖擊在跨中位置時，A-A截面的應變大于B-B截面，沖擊在1/3位置和1/4位置時，B-B截面的應變大于A-A截面；在同一個試件中，縱向應變通常高于徑向應變，在跨中截面更明顯。

3 結論

1）圓木柱在橫向沖擊荷載作用下的整體變形表現(xiàn)為由受拉引起的彎曲變形；裂縫發(fā)展過程類似，首先在底部產(chǎn)生縱向和橫向裂縫，然后迅速在側面并往上發(fā)展，其余部位基本無破壞，整體呈V形。

2）試件承受的沖擊力峰值隨著沖擊高度的增加而變大，但不影響沖擊力時程曲線的波動趨勢；隨著沖擊位置的改變，沖擊力峰值相差并不明顯，表明改變沖擊位置對沖擊力峰值的影響較小。

3）隨著沖擊高度的增大，試件的撓度峰值、撓度平臺值均相應增大；沖擊位置為跨中時，試件變形更明顯，撓度峰值、平臺值最大，即跨中為最不利沖擊位置。

4）在試驗過程中使用高速相機觀察到整個沖擊過程，通過DIC軟件得到試件的沖擊撓度，并截取試件在沖擊過程中3個時間段的位移云圖，從云圖中可以觀察到試件在沖擊過程中撓度變化和裂縫出現(xiàn)的位置。

【參 考 文 獻】

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