新疆楊木抗壓基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

□ 譚鑫宇 劉 清 韓 霞 李亮翔

新疆楊木是新疆當(dāng)?shù)匾环N具有地域特色的樹種，生長周期短，抗大氣干旱，較耐鹽堿，具有出材率高的特點(diǎn)。但是新疆楊木與其他木材相同，力學(xué)性質(zhì)都存在各向異性和變異性[1]，近年來，我國學(xué)者對木材性能做了大量研究，并將部分研究結(jié)果納入國家標(biāo)準(zhǔn)[2]。陶俊林等對靜力作用下木材大變形的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]；曹麗芳等對5種木材的橫紋受壓破壞現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)分析[4]；謝啟芳等試驗(yàn)分析了落葉松受壓小試件在反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[5]。由上可知，目前主要針對落葉松、樟子松和山樟等樹種進(jìn)行試驗(yàn)及理論研究，而新疆楊木的基本力學(xué)性能研究較少。現(xiàn)行的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/Τ 50005—2017）[6]中也尚未給出新疆楊木的抗壓力學(xué)性能參數(shù)。

本文以新疆楊木為研究對象，主要參照《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/Τ 50329—2012)[7]、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1935—2009）[8]、《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1939—2009）[9]制作試件，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并對新疆楊木順紋方向、徑向、弦向，橫紋斜向的受壓破壞形式及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了觀察分析，為研究新疆楊木柱、梁等構(gòu)件承載力以及在土木工程中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 ??試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本試驗(yàn)?zāi)静倪x取無明顯缺陷的新疆和田地區(qū)新疆楊木。根據(jù)《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》（GB/Τ 1928—2009）[10]、《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》（GB/Τ 1929—2009）[11]的相關(guān)規(guī)定制作試件，根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/Τ 50329—2012)、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1939—2009）的相關(guān)規(guī)定，制作15組試件，其中順紋方向3組、徑向3組、橫紋斜向30°3組、橫紋斜向60°3組、弦向3組，每組5個(gè)試件，試件編號如表1所示，橫紋斜向受壓試件具體尺寸及紋路如圖1所示。

圖1 橫紋斜向30°、60°抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件紋路方向及尺寸示意圖

表1 試件編號

1.2 加載方案

采用600kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（WAW—600），根據(jù)《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1939—2009）的規(guī)定，順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載方式均采用連續(xù)勻速位移加載，加載速度為2mm/min，其中順紋抗壓試驗(yàn)當(dāng)極限荷載下降到70%時(shí)終止加載；橫紋抗壓試驗(yàn)位移加載至8mm～10mm時(shí)終止加載。

1.3 含水率試驗(yàn)

根據(jù)《木材含水率測定方法》（GB/Τ 1931—2009）[12]，從原材料取樣制作5組含水率試件，每組3個(gè)，試件尺寸為20mm×20mm×20mm。測定設(shè)備采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（型號：101—3A）及電子秤根據(jù)公式（1）對含水率進(jìn)行計(jì)算。

式中：W為試件含水率，m1為試件試驗(yàn)時(shí)質(zhì)量，m0為試件全干時(shí)質(zhì)量。

計(jì)算得到試件試驗(yàn)時(shí)含水率為9.01%。

2 ??試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞現(xiàn)象

圖2為木材受壓破壞形態(tài)主要分為3種：（1）順紋受壓時(shí)，破壞現(xiàn)象為木材壓潰；（2）弦向受壓破壞時(shí)，試件發(fā)生塑性變形，表面未出現(xiàn)裂縫或褶皺；（3）橫紋斜向和徑向受壓時(shí)，破壞現(xiàn)象為試件沿早材薄弱處出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖2 不同受壓方向破壞形態(tài)

如圖2（a）所示，順紋壓縮試件首先在試件中部出現(xiàn)橫向褶皺，隨著荷載的持續(xù)增加，褶皺不斷水平擴(kuò)展，直至貫連，最終壓潰破壞；如圖2（b）所示，弦向壓縮試件早材和晚材一起變形，共同承受荷載，由于早材強(qiáng)度比晚材低，先開始壓潰，荷載逐漸由晚材承擔(dān)，試件發(fā)生塑性形變，表面沒有出現(xiàn)明顯的褶皺和裂縫；如圖2（c）、2（d）所示，橫紋斜向壓縮試件首先在早材和晚材相連接的薄弱處出現(xiàn)裂縫，隨著加載位移的增加，裂縫不斷擴(kuò)展，最后沿薄弱處貫通，試件出現(xiàn)分層的現(xiàn)象，并且發(fā)生錯(cuò)位；如圖2（e）所示，徑向壓縮試件破壞現(xiàn)象初期與橫紋斜向壓縮試件相似，先沿早材薄弱處出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但是隨著加載位移的繼續(xù)增大，每一層木材都逐漸沿弦向向外鼓起。

2.2 荷載—位移曲線

如圖3所示，順紋受壓和橫紋受壓的荷載—位移曲線均存在彈性階段和塑性階段，但是順紋受壓試件在達(dá)到破壞荷載之后，荷載—位移曲線出現(xiàn)下降段；而橫紋受壓試件在塑性階段結(jié)束后，早材雖然被壓潰，但是晚材仍然能夠承擔(dān)荷載，隨著加載位移的持續(xù)增加，荷載繼續(xù)增大。

圖3 受壓荷載—位移曲線

順紋受壓荷載—位移曲線第一個(gè)階段為彈性階段，荷載與位移近似呈線性關(guān)系；第二個(gè)階段為塑性階段，由于試件部分木材壓潰，荷載增加速度逐漸降低，荷載—位移曲線呈非線性關(guān)系；第三個(gè)階段為荷載下降段，即達(dá)到極限荷載之后，試件破壞，隨著加載位移的持續(xù)增加，承載力開始下降。

橫紋弦向受壓受壓荷載—位移曲線同樣由3個(gè)階段組成。第一個(gè)階段為彈性階段，早、晚材一起變形，共同承擔(dān)荷載，荷載與位移近似呈線性關(guān)系；第二個(gè)階段為塑性階段，由于早材不斷壓潰，荷載逐漸由晚材承擔(dān)，荷載增加速度逐漸降低，荷載與位移呈非線性關(guān)系；第三個(gè)階段為密實(shí)化階段，該階段荷載主要由晚材承擔(dān)，隨著加載位移的持續(xù)增加，荷載不斷增大，且增加速度不斷加快[13]。

徑向受壓試件荷載—位移曲線同樣分為3個(gè)階段。第一個(gè)階段為彈性階段，荷載由早材細(xì)胞的彈性變形來承擔(dān)，荷載與位移近似呈線性關(guān)系[14]；第二個(gè)階段為塑性階段，由于早材不斷壓潰，荷載逐漸由晚材承擔(dān)，荷載與位移呈非線性關(guān)系；第三個(gè)階段為密實(shí)化階段，該階段荷載主要由晚材承擔(dān)，隨著加載位移的持續(xù)增加，荷載不斷增大。

橫紋斜向荷載—位移曲線在彈性階段差別不大，但是進(jìn)入塑性階段后，曲線開始出現(xiàn)差異。原因是早材壓潰，試件在早材處出現(xiàn)分層現(xiàn)象，橫紋斜向30°、60°的試件分層后隨著加載位移的持續(xù)增加，試件沿早材壓潰處弦出現(xiàn)滑移，因?yàn)榻嵌鹊牟煌?，橫紋斜向30°的密實(shí)段與弦向相似，橫紋斜向60°的密實(shí)段與徑向相似。

2.3 強(qiáng)度

根據(jù)《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1935—2009）、《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》（GB/Τ 1939—2009）規(guī)定，試件抗壓強(qiáng)度通過公式（2）、公式（3）計(jì)算獲得。

式中：σw，順紋、σw，橫紋分別為試樣的順紋、橫紋抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；W為試樣含水率（%）；Pma×為試樣破壞荷載，單位為N；l、b、t分別為試件的長度、寬度、厚度，單位為mm。

通過公式（4）、公式（5）換算得到含水率為12%的強(qiáng)度值σ12，順紋、σ12，橫紋。

式中：σ12，順紋、σ12，橫紋分別為試樣含水率為12%時(shí)的順紋、橫紋抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總

根據(jù)我國主要樹種物理力學(xué)性能分級表的標(biāo)準(zhǔn)[15]，中等強(qiáng)度為34.4MPa～54.9MPa，新疆楊木順紋抗壓強(qiáng)度為50.3MPa。將新疆楊木橫紋抗壓強(qiáng)度與5種常見樹種進(jìn)行比較[6]，見表4，圖4為對比曲線圖。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖4 橫紋抗壓強(qiáng)度對比曲線圖

從表4和圖4可知，橫紋不同受壓方向下，新疆楊木與菠蘿格、塔利、山樟的橫紋抗壓強(qiáng)度均為徑向抗壓強(qiáng)度最大，弦向抗壓強(qiáng)度最小。但是新疆楊木與菠蘿格、塔利、山樟相比，橫紋弦向、徑向、斜向之間的抗壓強(qiáng)度差別較大。落葉松和樟子松的橫紋斜向抗壓強(qiáng)度最小，橫紋抗壓強(qiáng)度受紋路方向的影響較大。原因是落葉松、樟子松屬于針葉樹種，早材和晚材界限明顯，早材的強(qiáng)度要低于晚材。弦向受壓時(shí)，早材和晚材同步發(fā)生形變，共同承受荷載，所以抗壓強(qiáng)度更高；橫紋斜向受壓時(shí)，試件會沿早材、晚材相接的薄弱處出現(xiàn)分層、錯(cuò)位破壞，所以強(qiáng)度較低。新疆楊木和菠蘿格、塔利、山樟皆為闊葉樹種，管孔肉眼可見，均勻分布在試件橫截面上，因此橫紋壓縮方向的不同，抗壓強(qiáng)度變化相差不大。

3 ??結(jié)論

（1）新疆楊木不同紋路方向單向受壓時(shí)破壞形式主要分3種形式：順紋受壓時(shí)的壓潰破壞；弦向受壓時(shí)的壓縮變形破壞；橫紋斜向和徑向受壓時(shí)的沿早材薄弱處分層、錯(cuò)位破壞。

（2）順紋受壓荷載—位移曲線分為彈性階段和塑性階段，橫紋受壓荷載—位移曲線在試驗(yàn)初期與順紋抗壓相似，但是在經(jīng)過塑性階段后，荷載不會開始下降，而是進(jìn)入密實(shí)階段，荷載繼續(xù)增大。

（3）新疆楊木順紋抗壓強(qiáng)度屬于中等標(biāo)準(zhǔn)。新疆楊木橫紋抗壓強(qiáng)度大于山樟、樟子松，橫紋受壓時(shí)，徑向、弦向、橫紋斜向抗壓強(qiáng)度之間的差異相較于樟子松和落葉松更低。