落葉松膠合木順紋受壓應力-應變關系研究

周先雁，曾 丹，曹 磊，王智豐

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

落葉松膠合木順紋受壓應力-應變關系研究

周先雁，曾 丹，曹 磊，王智豐

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

為探討落葉松膠合木柱順紋受壓性能，對兩組不同尺寸的落葉松膠合木柱單軸受壓試驗研究，分析了膠合木柱軸心受壓的破壞形態(tài)和破壞機理，得到該批落葉松膠合木抗壓彈性模量為14.01 GPa，抗壓強度為45.98 MPa，比例極限強度為（0.55～0.70）σL，并給出了應力-應變關系本構方程及相關經驗參數。

落葉松膠合木；順紋受壓；本構關系

膠合木作為一種重要的承重構件，已廣泛用于現代木結構的梁柱體系、桁架體系中[1]。然而，木材是一種各向異性的多孔性材料，其順紋和橫紋的受力性能差異很大。為了有效控制膠合木構件受壓過程的力學行為，國內外木結構研究學者[2-4]如張紅為、劉一星、陶俊林、Tabarsa T等分別開展了木材順紋和橫紋壓縮變形的相關研究。但迄今國內對膠合木這種新型材料的研究甚少。隨著人們環(huán)保意識的提高，為了探尋該復合材料受壓本構關系，本研究以東北落葉松為樹種，著重研究其膠合成型后的順紋受壓應力-應變關系、抗壓彈性模量、抗壓強度、比例極限強度等。

1 材料和方法

1.1 試驗儀器及材料

建筑材料的力學性能直接影響到構件及結構在工程中的使用質量，所以開展膠合木材料相關性能研究對工程構件的承載能力及使用工況顯得尤為重要。本研究參考《木結構試驗方法標準》（GB/T50329-2012）[5]，設計并制作2組尺寸分別 為 100 mm×100 mm×400 mm和 100 mm×100 mm×200 mm的落葉松膠合木順紋受壓試件各3根，編號分別為A-(1～3) 、B-(1～3)。每組試件由3層厚為32 mm的鋸材疊合而成，加工過程中對層板目測分等，保證每組試件內外側層板的強度分別一致[6]。并測得該批試件平均密度為0.63 g/cm3，平均含水率為10%。

本次試驗選用2000KN微機控電液伺服壓力試驗機完成，應變采集選用東華DH3818靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。整個試驗數據采用電腦自動記錄。

1.2 試驗方法

根據《木結構試驗方法標準》（GB/T 50329-2012）[5]木材順紋受壓應力應變曲線測定法的要求，本試驗的主要試驗步驟如下：

（1）用游標卡尺精確測量每個構件的尺寸，準確至0.1 mm。對每根構件進行編號；

（2）在每根試件順紋截面的4個側面中心沿豎向和橫向粘貼標距分別為100 mm和50 mm的電阻應變片各一對，將應變片的接線端與東華DH3818靜態(tài)應變測試系統(tǒng)及電腦相連。并對其進行自動調平處理。同時，啟動電液伺服系統(tǒng)檢查儀器是否完好；

（3）試驗前先估算構件極限承載能力，A組為430 kN，B組為490 kN。對構件進行物理和幾何對中。正式加載前對試件先進行15 kN的預加載，卸載至0 kN后以0.5 mm/min的速度勻速加載至試件破壞。與此同時，靜態(tài)應變儀以5 s/次的頻率采集相應受力狀態(tài)下應變值。試驗裝置見圖1。

2 試驗結果分析

試驗得到了多組應力-應變曲線，從圖2中可以看出，該種材料受壓時表現出明顯的彈塑性，同種受力條件下各試件的應力-應變基本相似，同時試件尺寸對應力-應變關系影響較小。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

圖2 落葉松膠合木順紋受壓應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of larch glue-lumber under the condition of compression parallel to grain

2.1 落葉松膠合木順紋受壓本構方程分析

將試驗所測數據進行整理，選取試件彈性階段的應力和應變值，采用數值分析軟件進行一元回歸分析，以各試件彈性階段最大應力的平均值作為該批試件比例極限強度值。以各試件最大荷載的平均值作為該批落葉松膠合木順紋抗壓極限承載能力。試驗結果匯總見表1。

表1 落葉松順紋抗壓材料特征常數Table 1 Characteristic constants of compression parallel to grain tested materials of larch glue-lumber

式（1）、式（2）、式（3）中：E為試件線性階段抗壓彈性模量，即：εE為試件比例極限強度對應的應變值，一般取峰值應變的（0.45～0.60）εL；εL為試件的峰值應變；σL為試件峰值應力；A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4分別為經驗系數；具體取值見表2。

表2 落葉松膠合木順紋抗壓本構方程經驗系數Table 2 Empirical coefficients of constitutive equation with compression parallel to grain tested materials of larch glue-lumber

從表2可以看出，各試件的彈性和塑性階段擬合相關系數較高。但同組試件下降段曲線整體趨勢離散性較大，曲線擬合相關系數不高。因此，工程實踐中可根據實際情況另選適宜的B1、B2、B3、B4使理論曲線和實測結果更吻合。

2.2 落葉松膠合木順紋受壓應力-應變曲線分析

從圖2可以看出，落葉松膠合木順紋受壓應力-應變曲線可簡化為彈性階段OA、彈塑性階段AB、下降階段BC三個階段見圖3。

圖3 落葉松膠合木順紋受壓應力-應變曲線Fig.3 Simpli fi ed stress-strain curves of larch glulam under compression parallel to grain

彈性階段：當壓應力0≤σ≤σE時，木材處于彈性工作階段。隨著壓應力的增大，木材本身內部纖維的空隙逐步壓緊，管狀細胞發(fā)生微小變形。此時應力-應變成線性關系。當壓應力達到峰值應力的60%左右時伴隨有試件內部纖維擠壓的細小聲音。

彈塑性階段：當壓應力σE＜σ≤σL時，木材壓縮變形顯著增大，同時伴隨吱吱的響聲。管狀細胞被逐步壓潰，內部裂縫不斷延伸擴展。此時應力-應變曲線斜率急劇減小，應力-應變逐步由線性關系轉為非線性關系。當達到極限承載能力時，應力-應變曲線斜率趨近于零，同時沿試件側面出現幾條45 °角或90 °角的不連續(xù)裂縫。

下降階段：當達到峰值應力σL后，試件強度并沒有突然完全消失。此時隨著應變的不斷增加，應力不斷減小，曲線下降坡度較陡，木材表面的裂紋不斷擴展，最后將形成4種破壞形態(tài)：端頭壓屈破壞、沿順紋方向裂開、沿順紋45 °角裂開、沿木節(jié)處裂開。分別如圖4中（a）、（b）、（c）、（d）。

試驗結果表明：對于單軸受壓的膠合木棱柱體試件，其壓應力達到σL時，膠合木柱就不能承受更大的壓應力。因此，膠合木的抗壓強度值成為結構計算的主要指標[8]。與σL相對應的應變εL隨木材強度等級而異，約在（3.5～5.0）×10-3之間變動。通常取其平均值為3.942×10-3。此外，當壓應力達到σE時，膠合木柱由線彈性轉為彈塑性。通常稱該點對應的應力值為比例極限強度，該值將成為工程設計的重要參數。與σE相對應的應變εE一般在（1.6～2.5）×10-3之間變動。通常取其平均值為2.022×10-3。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimens

3 結 語

根據本次測定的2組不同尺寸落葉松膠合木柱的應力-應變曲線及其特征點試驗資料, 本研究給出了一個描述落葉松膠合木柱受壓應力-應變關系的表達式,分析了應力應變曲線與破壞形態(tài)的關系，并為本構關系表達式中的計算參數積累了一批數據, 初步展示了這些參數變化的規(guī)律性和取值的范圍。但是因為影響落葉松膠合木柱應力-應變關系的因素非常多,離散性較大，有些重要因素，例如節(jié)子、裂紋、指接和含水率等, 這些問題還須進一步研究。 只有這樣, 計算參數才有可能確定得更合理。

[1]王 倩.落葉松膠合木柱力學性能試驗研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學,2013.

[2]張紅為,胡 兵,邵卓平. 楊木壓縮應力-應變關系研究[J].安徽農業(yè)大學學報,2010,37(4):665-668.

[3]劉一星,則元京,師岡淳郎. 木材橫紋壓縮大變形應力－應變關系的定量表征[J].林業(yè)科學,1995,(5):436-442.

[4]陶俊林,蔣 平,余作生.木材靜壓大變形本構關系研究[J].力學與實踐,2000,(5):25-27.

[5]Tabarsa T, Chui Y H. Stress-strain response of wood under radial compression[J].Wood Fiber Science,2000,32(2):144-152

[6]周先雁,曹 磊,周佳樂,等.膠合木設計制作與質量控制[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2014, 12(34):136-140.

[7]楊木秋,林 泓.混凝土單軸受壓受拉應力-應變全曲線的試驗研究[J].水利學報,1992,(6):60-66.

[8]過鎮(zhèn)海,張秀琴,張達成,等.混凝土應力-應變全曲線的試驗研究[J].建筑結構學報,1982,(1):1-12.

Research on stress-strain relation of compression parallel to grain of laminated wood

ZHOU Xian-yan, ZENG Dan, CAO Lei, WANG Zhi-feng
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The main purpose of the study is aimed at investigating the mechanical properties of larch glue-lumber column under condition of compression parallel to grain. By means of experimental study on two sets of larch glue-lumber column with different dimensions, the failure pattern and mechanism of larch glue-lumber column were analyzed. The compressive modulus of elasticity and compressive strength of larch laminated wood were gained with values of 14.01 GPa and 45.98 MPa respectively. The strength of proportional limit of larch glue-lumber appeared at (0.55～0.70)σL，meanwhile the equation of stress-strain curve and related experience parameters are provided.

larch glue-lumber; compression parallel to grain; stress-strain relation; constitutive relation

S791.22；S781.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X(2015)12-0113-04

2014-11-26

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項（201304504）；湖南省自然科學基金項目（12JJ5012）；湖南省研究生科研創(chuàng)新基金項目（CX2013B351）；中南林業(yè)科技大學研究生科技創(chuàng)新基金（CX2014Z45）

周先雁，教授，博士，博士生導師；E-mail：zxy560805@163.com

周先雁,曾 丹,曹 磊,等. 落葉松膠合木順紋受壓應力-應變關系研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2015,35(12):113-116.

[本文編校：文鳳鳴]