含LT 型裂紋木梁起裂載荷確定方法的試驗(yàn)研究

涂郡成，趙東，趙健

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

微裂紋萌生是引起木構(gòu)件斷裂失效的主要原因［1-3］。木材作為一種天然的非均質(zhì)生物質(zhì)材料，除天然裂紋外，在生產(chǎn)加工和水分循環(huán)變化過程中也會(huì)產(chǎn)生裂紋，在這些缺陷附近或者裂紋尖端都可能出現(xiàn)應(yīng)力的奇異性，為了準(zhǔn)確有效地預(yù)測含有初始裂紋木材的破壞，通常采用斷裂準(zhǔn)則評估含裂紋構(gòu)件在低應(yīng)力下的強(qiáng)度和安全，斷裂韌性是表征材料對裂紋擴(kuò)展抵抗能力的重要力學(xué)參數(shù)，其準(zhǔn)確程度取決于起裂載荷的確定（GB／T 4161—2007）。

目前，國內(nèi)外關(guān)于木材斷裂韌性方面的研究主要集中在順紋斷裂方面［4-6］，所針對的木材斷裂模式主要是TL／TR 型和RL／RT 型，而對于含有LT型裂紋的木材在起裂階段方面的研究較少。由于木材中裂紋的擴(kuò)展受材料內(nèi)部特殊的纖維組織排列特性影響較大，含LT 型橫紋裂紋的木構(gòu)件發(fā)生斷裂時(shí)，裂紋通常并不一定沿著其初始方向擴(kuò)展而是沿著纖維方向擴(kuò)展［7］。Wu［8］最早將木材作為正交各向異性材料開展了斷裂力學(xué)的相關(guān)研究，Schachner 等［9］、King 等［10］對木材單邊切口試件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)：木材縱向長纖維的構(gòu)造特性使得從順紋斷裂模式到橫紋斷裂模式的斷裂韌度不斷增大，故對于含有LT 型裂紋木梁在承載過程中，當(dāng)木梁起裂后仍具有一定的承載能力，其韌性斷裂時(shí)的最大載荷不一定是起裂載荷［11-12］。以最大載荷作為起裂載荷計(jì)算木材橫紋斷裂韌性KIC 的方法，盡管在一定程度上也能夠評估木材對裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，但會(huì)出現(xiàn)高估的情況。因此，準(zhǔn)確確定含LT 型裂紋木梁起裂載荷大小是計(jì)算木梁橫紋斷裂韌性的關(guān)鍵。

盡管研究人員已經(jīng)對微裂紋開展了幾十年的研究工作，但目前研究木材微裂紋萌生的試驗(yàn)手段有限，且缺乏統(tǒng)一評估的標(biāo)準(zhǔn)。范文英等［13］、邵卓平［14］采用光學(xué)顯微鏡觀察木材裂紋擴(kuò)展點(diǎn)，用觀察法測定裂紋開始出現(xiàn)擴(kuò)展時(shí)的起裂載荷。King等［10］采用金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度的標(biāo)準(zhǔn)來測定輻射松橫紋理斷裂韌度，取載荷位移曲線中線性階段和非線性階段的臨界點(diǎn)作為木材橫紋起裂點(diǎn)的判定依據(jù)。王麗宇等［15］采用數(shù)字圖像相關(guān)法對白樺橫紋裂紋的演化與增長行為進(jìn)行研究，以第一次聽到淸脆的“爆裂聲”時(shí)的迸發(fā)載荷作為橫紋起裂載荷。王堅(jiān)偉［16］、邵卓平［7］等采用聲發(fā)射方法分別檢測了杉木TL、RL 和LT 型斷裂的起裂，試驗(yàn)中將聲發(fā)射儀開始出現(xiàn)AE 波，同時(shí)醫(yī)用聽筒可以聽到有輕微開裂聲作為裂縫起裂的判定方法。目前，這些試驗(yàn)方法在研究木材斷裂過程中裂紋擴(kuò)展情況和材料斷裂韌度的尺寸效應(yīng)方面具有較好的適用性，但在確定起裂載荷的評判標(biāo)準(zhǔn)上受主觀因素影響較大，缺乏對試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)一的量化分析，這樣確定起裂載荷也非常困難。

基于上述原因，筆者結(jié)合聲發(fā)射方法、數(shù)字圖像相關(guān)法、電測法監(jiān)測含預(yù)制LT 型裂紋木梁的損傷和斷裂過程，研究載荷作用下聲學(xué)參數(shù)、表面應(yīng)變信息變化與裂縫萌生的關(guān)系，并對梁的破壞過程進(jìn)行分析，準(zhǔn)確確定起裂載荷。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為杉木（Cunninghamia lanceolata），試件氣干含水率約10%，密度為0.365 g／cm3，木材橫紋斷裂臨界斷裂韌度的測試方法參照GB／T 4161—2007，采用三點(diǎn)彎曲梁試件（圖1）。試件加工為390 mm×40 mm×20 mm（l×b×h）通直無缺陷的順紋木梁試件，試件表面使用亞光漆噴涂成白底黑色散斑圖樣，并人工制作LT 型單邊切口裂紋，縫高比a/h分別為0.1，0.2，0.3 等3 組，每組試件數(shù)為3，縫寬度均為1 mm。

圖1 三點(diǎn)彎曲試樣示意圖Fig.1 Three-point bending specimen

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

試驗(yàn)加載設(shè)備為電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（Reger深圳瑞格爾）；監(jiān)測儀器為DS2 型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)（北京軟島時(shí)代科技），主要包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集儀和主機(jī)；自制二維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，主要包括CCD 相機(jī)和主機(jī)；箔式紙基應(yīng)變片（B×120-10AA 型）和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（BZ2208-A 型）等。

1.2.2 應(yīng)變片布置方式

為了對比驗(yàn)證聲發(fā)射方法的有效性，本研究采用電測法測試整個(gè)加載過程中裂縫的擴(kuò)展情況，其中應(yīng)變片的布置方式是保證測量結(jié)果有效的關(guān)鍵。電阻應(yīng)變片測點(diǎn)布置如圖2 所示，為避免木梁彎曲過程中由于變形過大造成應(yīng)變片被撕裂，應(yīng)變片對稱分布于裂縫延長線兩側(cè)，粘貼方向與預(yù)制裂縫延長線垂直。同時(shí)為了更好地觀察木梁拉壓區(qū)的應(yīng)變值變化，將應(yīng)變片測點(diǎn)關(guān)于木梁中性層對稱分布，上下間距設(shè)置為5 mm，其中應(yīng)變片5、6 與木梁中性層位置重合。

圖2 應(yīng)變片布置方式Fig.2 Strain gauge layout

1.2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖3 所示，該裝置由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字圖像測量系統(tǒng)構(gòu)成。加載系統(tǒng)采用電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)前預(yù)加一定載荷，以減小壓頭與木梁之間的摩擦噪聲。試驗(yàn)機(jī)加載方式為位移控制加載，加載速率為0.001 m／min，由計(jì)算機(jī)繪出載荷-加載點(diǎn)位移（P-δ）曲線。聲發(fā)射傳感器對稱布置于梁上端兩側(cè)，分別與梁中點(diǎn)位置距離100 mm，通道門限設(shè)置為20 mV，傳感器頻率范圍是50～400 kHz，多通道同步采集，前置放大器增益為40 dB。采樣頻率采用2.5 MHz／s，傳感器表面與試件表面的聲耦合劑采用高真空脂，并用夾具固定于木梁表面；木梁的正面采用二維數(shù)字圖像測量系統(tǒng)采集裂縫尖端圖像，CCD 相機(jī)安裝于水平架上，放置在試件正前方250 mm 處，CCD 相機(jī)每隔1 s 采集一次圖像；木梁的背面從縫端到梁的頂端等距布置應(yīng)變片（如圖3 所示），試驗(yàn)中應(yīng)變值數(shù)據(jù)通過多通道IMC 自動(dòng)采集，間隔時(shí)間為5 s。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)同時(shí)觸發(fā)聲發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，三者同步動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測微裂紋的開裂和擴(kuò)展全過程，當(dāng)試件出現(xiàn)載荷快速下降后停止加載，同時(shí)停止聲發(fā)射和圖像系統(tǒng)。

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device

2 結(jié)果與分析

在3 種不同縫高比（a/h=0.1，0.2，0.3）條件下，對含LT 型裂紋的木梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲損傷斷裂試驗(yàn)，測出試件的聲發(fā)射信號參數(shù)、裂縫尖端兩側(cè)應(yīng)變值及裂紋尖端應(yīng)變場信息與加載時(shí)間變化之間的關(guān)系，從以下兩方面對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。

2.1 裂縫擴(kuò)展與聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系分析

木梁整個(gè)加載過程中累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、加載載荷與加載點(diǎn)位移的關(guān)系見圖4，整個(gè)加載過程中聲發(fā)射信號幅度與加載點(diǎn)位移的關(guān)系見圖5。已知加載時(shí)間到達(dá)300 s 時(shí)木梁表面已經(jīng)產(chǎn)生肉眼可見的裂紋，故木梁在300 s 之前可能已經(jīng)發(fā)生起裂。從圖4 可以看出，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在裂紋起裂前后的總體變化趨勢相似。大致表現(xiàn)可以分為3 個(gè)階段：當(dāng)加載點(diǎn)位移在2.75 mm 之前（δ＜2.75），累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)比較穩(wěn)定且處于較低水平（累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)＜150），該階段的P-δ曲線近似為斜直線，說明木梁處于彈性階段，試件還未發(fā)生起裂。

圖4 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線Fig.4 Acoustic emission cumulative ringing count curve

從圖5 可以看出，當(dāng)加載點(diǎn)位移δ為2.75 mm時(shí)（t=190 s），聲發(fā)射信號的幅度產(chǎn)生第1 個(gè)峰值（最大幅度＞1 000 mV）。除此之外，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在起裂點(diǎn)的變化趨勢較明顯，其與時(shí)間相關(guān)曲線的斜率在190 s 處出現(xiàn)顯著增大現(xiàn)象（載荷2 080 N），說明聲發(fā)射計(jì)數(shù)開始大量產(chǎn)生，微裂紋開始萌生，木材發(fā)生起裂。當(dāng)δ＞2.75 時(shí)，隨著作用力的增加，P-δ曲線開始出現(xiàn)非線性，說明此階段木梁內(nèi)部損傷開始加劇，P-δ之間呈曲線變化規(guī)律，聲發(fā)射信號幅度密集產(chǎn)生高峰值（2 000 mV＜最大幅度＜10 000 mV），累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線持續(xù)快速攀升，表明木梁內(nèi)部微裂紋不斷增加，直到加載時(shí)間到達(dá)300 s 以后，木梁表面出現(xiàn)肉眼可見的宏觀裂紋。

圖5 聲發(fā)射幅度歷程圖Fig.5 Acoustic emission amplitude history diagram

2.2 起裂載荷Pini的確定

2.2.1 聲發(fā)射

在木材損傷斷裂過程中，由于累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、幅度較其他聲學(xué)參數(shù)變化明顯，故應(yīng)用聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、幅度隨木梁的彎曲撓度變化的關(guān)系圖以確定起裂載荷Pini。由于木梁會(huì)在加載過程中不斷產(chǎn)生彎曲變形，一旦梁的縫端起裂，在木梁內(nèi)部積蓄的應(yīng)變能快速轉(zhuǎn)為彈性波由起裂位置釋放，則聲發(fā)射監(jiān)測到的聲波信號發(fā)生突變，表現(xiàn)為聲發(fā)射信號幅度急劇升高，出現(xiàn)該階段的高峰值，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)會(huì)發(fā)生突變，故用以上聲學(xué)參數(shù)來確定起裂載荷是可行的。如圖4 和圖5（以LS10-2 為例）所示，從關(guān)系曲線上可以看出，在加載點(diǎn)位移為2.75 mm 以前，波幅表現(xiàn)為較穩(wěn)定的階段，說明梁處于彈性階段，木梁內(nèi)部沒有裂縫產(chǎn)生，但加載點(diǎn)位移超過2.75 mm 以后，幅度產(chǎn)生峰值，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-加載點(diǎn)位移曲線的斜率發(fā)生明顯增大，因此以載荷-加載點(diǎn)位移曲線上的位移為2.75 mm 所對應(yīng)的載荷為起裂載荷。

2.2.2 數(shù)字圖像相關(guān)法

應(yīng)用數(shù)字圖像法觀測木梁表面裂縫的起裂擴(kuò)展情況，實(shí)際上是根據(jù)木梁表面的應(yīng)變場變化情況來判斷裂紋的起裂，裂紋的產(chǎn)生可以簡單理解為物體表面應(yīng)變的突變，而裂紋產(chǎn)生前期物體表面應(yīng)力集中的區(qū)域與裂紋萌生位置有確定關(guān)系。以LS10-2 為例，木梁預(yù)制裂縫尖端表面應(yīng)變場觀測隨加載點(diǎn)位移變化如圖6 所示。根據(jù)所選取的3張不同加載點(diǎn)位移所對應(yīng)木梁表面應(yīng)變云圖可以看出，當(dāng)δ=1.8 mm 時(shí)，試件表面最大應(yīng)變?yōu)?.8×10-3～1.0×10-2，應(yīng)變場分布規(guī)律沒有顯著變化且未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。隨著載荷的增加，當(dāng)δ=3.2 mm 時(shí)試件表面出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，試件的表面最大應(yīng)變?yōu)椋?.0～4.0）×10-2；當(dāng)δ=4.4 mm時(shí)，可以觀察到試件表面有明顯的應(yīng)變突變區(qū)域，變形集中區(qū)域的應(yīng)變量大于7.4×10-2，此區(qū)域正是木梁表面開裂區(qū)域，可見DIC 技術(shù)能夠精確捕捉加載過程中的變形和有效的觀測開裂過程。

圖6 木試件表面應(yīng)變云圖Fig.6 Surface strain cloud image of wood specimen

為進(jìn)一步探究木試件開裂時(shí)的應(yīng)變情況，取試件表面縫端位置的A 點(diǎn)（194，88）為例，研究裂縫尖端位置表面應(yīng)變與裂紋萌生起裂的關(guān)系。已知木梁在300 s 時(shí)已出現(xiàn)肉眼可見裂紋，故選取時(shí)間區(qū)間為0～300 s（載荷區(qū)間為0～3 250 N）的表面應(yīng)變繪制隨載荷變化曲線，如圖7 所示。

圖7 試件A 點(diǎn)位置處木梁表面應(yīng)變Fig.7 Surface strain of the wooden beam at the point A of the test piece

從圖7 可以看出，試件在三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下，A處的應(yīng)變量可以分為2 個(gè)階段：O-B 彈性階段，試件表面的應(yīng)變呈緩慢線性增長；B-C 為突變階段，表面應(yīng)變與之前有顯著變化，表面應(yīng)變隨載荷變化曲線斜率出現(xiàn)明顯增大。有關(guān)研究表明試件表面應(yīng)變突增伴隨著表面出現(xiàn)初裂現(xiàn)象［17］，由此可以認(rèn)為拐點(diǎn)B 代表木梁表面出現(xiàn)初始開裂。本次試驗(yàn)拐點(diǎn)位置B 的應(yīng)變量為0.009，即載荷為2 550 N時(shí)，試件表面A 處已經(jīng)有肉眼看不到的微裂縫，故將B 點(diǎn)對應(yīng)的載荷作為判斷起裂的起裂載荷。

2.2.3 電測法

對于用應(yīng)變片來說，根據(jù)應(yīng)變-加載時(shí)間確定起裂載荷，并結(jié)合肉眼觀測表面裂縫，記錄該時(shí)刻縫端的應(yīng)變片的應(yīng)變值（以LS10-2 試件為例），失穩(wěn)斷裂前測得最大載荷為4.45 kN，測點(diǎn)布置如圖2 所示，應(yīng)變結(jié)果如圖8 所示。

圖8 各測點(diǎn)應(yīng)變Fig.8 Strain points of each point

當(dāng)載荷加載到D 點(diǎn)時(shí)，中性層位置的應(yīng)變片5、6 應(yīng)變值近似保持不變，應(yīng)變片1～4 和7～10 的應(yīng)變-加載點(diǎn)位移曲線斜率出現(xiàn)增大現(xiàn)象，將此時(shí)的應(yīng)變值作為梁的彎曲極限拉伸應(yīng)變值。根據(jù)最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則，當(dāng)應(yīng)變大于梁的極限拉伸應(yīng)變時(shí)，可以認(rèn)為該點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生起裂，此時(shí)應(yīng)變所對應(yīng)的載荷大小即為起裂載荷。

各試件的主要測試參數(shù)比較見表1。從表1可以看出：在3 種不同縫高比（a/h=0.1，0.2，0.3）條件下，聲發(fā)射、數(shù)字圖像相關(guān)法、電測法測得含LT 型裂紋木梁的的起裂載荷均小于極限載荷，這說明3 種方法應(yīng)用于監(jiān)測木材裂紋起裂方面都有較好的適用性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，它可以幫助在木材達(dá)到極限載荷之前檢測到裂紋的起裂。但由于不同測量方法的測量原理、測量精度的差異，3 種方法所確定的各試件起裂載荷大小為：電測法＞數(shù)字圖像相關(guān)法＞聲發(fā)射（表1）。這說明當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件表面裂縫時(shí)，其內(nèi)部裂縫的發(fā)展早已在聲波振鈴計(jì)數(shù)、波幅幅值的變化上得到了反映。電測法和數(shù)字圖像法確定木梁起裂載荷的原理都是根據(jù)木材表面的應(yīng)變變化發(fā)生突變來判定木材起裂，但從結(jié)果上來看，電測法所確定的起裂載荷比數(shù)字圖像相關(guān)法大，即所判斷起裂時(shí)刻較為滯后，說明電測法作為一種傳統(tǒng)的點(diǎn)接觸測量方法，應(yīng)用于測量木材表面應(yīng)變變化時(shí)，對木材變形的響應(yīng)靈敏度比數(shù)字圖像相關(guān)法差，且受粘貼條件的限制對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，相比之下數(shù)字圖像相關(guān)法的測量結(jié)果更加精確、靈敏度高，且數(shù)字圖像法具有全場、非接觸的特點(diǎn)，更加高效、直觀預(yù)測裂紋萌生的位置和裂紋擴(kuò)展路徑，同時(shí)能夠避免對被測量對象造成二次傷害。綜上所述，本試驗(yàn)結(jié)果為選擇含LT 型橫紋裂紋的木梁起裂載荷的確定方法提供了依據(jù)，應(yīng)用時(shí)可結(jié)合實(shí)際工況選擇合適的測量方法。

表1 各試件測試參數(shù)結(jié)果Table 1 Test parameters of each specimen

3 結(jié)論

筆者利用聲發(fā)射技術(shù)、數(shù)字圖像相關(guān)法和電測法對含LT 型裂紋木梁的起裂荷載Pini進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)，對含LT 型裂紋木梁在加載過程中聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、幅度以及表面應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)討論。分析和總結(jié)了試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）聲學(xué)參數(shù)與加載點(diǎn)位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出不同階段斜率變化特征，且聲發(fā)射對于木材內(nèi)部損傷檢測有較好的靈敏度，進(jìn)一步提高了確定含LT 型橫紋裂紋木材起裂載荷的準(zhǔn)確性。

2）數(shù)字圖像相關(guān)方法能夠有效測量木梁表面的變形分布情況，圖像測量結(jié)果驗(yàn)證了利用聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、幅度等參數(shù)對木梁裂紋萌生規(guī)律的預(yù)測。同時(shí)根據(jù)表面應(yīng)力集中區(qū)域的演變提前預(yù)測出木材裂紋萌生的位置和裂紋擴(kuò)展方式。

3）用聲發(fā)射方法、數(shù)字圖像相關(guān)法、電測法所確定的起裂載荷大?。郝暟l(fā)射方法＜數(shù)字圖像相關(guān)法＜電測法，說明木材起裂所產(chǎn)生的內(nèi)部損傷會(huì)先在聲發(fā)射參數(shù)變化上體現(xiàn)，再在表面應(yīng)變的變化上反映，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可結(jié)合實(shí)際工況選擇合適的測量方法。