第 2 卷第 1 期 湖南生态科学学报 Vol. 2 No. 12 0 1 5 年 3 月詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨

Journal of Hunan Ecological Science Mar. 2015

收稿日期:2015 - 03 - 09基金项目:林业公益性行业科研专项经费项目(编号:201304504 - 1)作者简介:周红梅(1989 - ),女,湖南邵东县人,硕士研究生,研究方向:木结构基础研究.

文章编号:2095 - 7300(2015)01 - 011 - 04

兴安落叶松胶合木柱力学性能试验研究

周红梅

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院,湖南 长沙 410004)

摘摇 要:该文以兴安叶松为原料,依据木结构设计规范对国产落叶松动弹性模量和静弹性模量进行研究. 采用应力

应变片与应力波法分别测定其静态、动态弹性模量,结果表明:静弹性模量是动弹性模量的 1. 23 倍. 图 2,表 4,参 9.关键词:落叶松;胶合木;力学性能

中图分类号:TU366. 2摇 摇 摇 文献标识码:A

摇 摇 木结构是由木材或主要由木材承受荷载的结

构,通过各种金属连接件或榫卯手段进行连接和固

定[1] . 落叶松胶合木纵向强度高、耐腐朽,力学性能

稳定、抗压及抗弯曲的强度大,能承受拉力、压力、剪力、弯曲、扭矩的作用,按照《木结构试验方法标

准》 [2] 和《木结构设计规范》GB50005—2012[3] 选取

试件测试木结构的力学性能.静弹性模量采用应力应变片进行测定,试验结

果精确、可靠度高. 在以现代木构件为测定对象时,需要制作试件稍显麻烦. 以应力波为原理的动弹性

模量测定方法,仪器易于携带、操作简单,无需制作

试件,特别是测定的古建筑弹性模量时具有较大优

势. 但数据误差较大,无法确切反应木材弹性模量.该文建立了落叶松胶合木构件静弹性模量与动弹

性模量之间的关系,为在不同条件下弹性模量的测

定提供了科学依据,具有实用意义.

1摇 材料与方法

1)东北落叶松,参考《木材含水率测定方法》GB / T 1931—2009[4] 测定其含水率为 11. 2% ;参考

GB / T 1933—2009《木材密度测定方法》 [5]测定其密

度为 0. 64 kg / m3 .

2)间苯二酚甲醛树脂胶粘剂,采用双面施胶,测得施胶量为 190 g / m2 .

弹性模量是固体材料在弹性范围内正应力与相应

正应变的比值,反映了固体抵抗外力产生变形的能力,也是表征木材力学性能最基本、最重要的指标之一[6] .

2摇 落叶松胶合木静弹性模量测定试验

2. 1摇 原理及仪器

摇 摇 木材为粘弹性材料,在弹性范围内,对木材施

加压力会产生相应的变形,利用式(1) [7] 计算木材

的静弹性模量.

E = 滓着 = FL

A吟L = FA着 (1)

式中,E—静弹性模量

滓—应力

着—应变

F—荷载

A—受压面面积

采用微机控电液伺服压力试验机、静弹性模量

数据接收器、标距为 100 mm 的电阻应变片、502 胶、直径 20 mm 的电线及电焊器来完成落叶松胶合木

试件静弹性模量的试验.

2. 2摇 测定方法

选取 3 组(A、B、C 组)尺寸分别 137 mm 伊 137mm 伊500 mm,105 mm 伊105 mm 伊500 mm、105 mm 伊120 mm 伊500 mm 落叶松胶合木试件,顺纹截面上沿

纵向中轴线粘贴标距为 100 mm 的电阻应变片,电阻

应变片一端焊接接线端子,再将电线的一端焊接在接

线端子上,另一端则于数据采集器连接,数据采集器

与电脑相连,读取来自电脑存储的数据(荷载及对应

的应变). 先预加载至 20 kN,往复 3 次使试件进入工

作状态后卸载至 0 kN. 然后以 2 mm / min 的速度缓慢

加载直至获取系列数据,停止加载.

2. 3摇 测定结果及分析

整理数据采集器存储的荷载鄄应变值,采用数值

分析软件进行一元线性回归,结果如表 1 所示,拟合

曲线如图 1 所示.

表 1摇 荷载与应变的线性回归方程

Tab. 1摇 Linear regression equation of load and strain

试件编号 回归方程 决定系数 R2 显著性

1 - 01 F = 0. 242 593着 + 3. 257 692 0. 204 ***1 -02 F = 0. 284 307着 - 3. 704 29 0. 217 ***1 -03 F = 0. 266 277着 - 3. 239 74 0. 212 ***2 -01 F = 0. 143 991着 + 10. 138 86 0. 115 ***2 -02 F = 0. 202 412着 - 0. 314 381 0. 193 ***2 -03 F = 0. 185 313着 + 1. 135 88 0. 166 ***3 -01 F = 0. 189 764着 - 1. 445 357 0. 165 ***3 -02 F = 0. 190 773着 - 0. 006 788 0. 169 ***3 -03 F = 0. 190 596着 - 2. 135 477 0. 169 ***

摇 摇 注:**表示 0. 001 水平显著.

图 1摇 试件的荷载鄄应变拟合曲线

Fig. 1摇 The load鄄strain fitting curve of specimens注:上曲线为试验值,下曲线为拟合曲线;纵坐标单位为 kN,横坐标单位为 滋m.

摇 摇 回归分析结果表明,弹性范围内落叶松胶合木

的荷载与应变之间均具有显著的相关性,但相关性

是否显著与受压截面面积大小无关.A 组试件刚度约在 0. 23 ~ 0. 29 之间;B 组试件

刚度约在 0. 12 ~ 0. 20 之间. 因此,A 组试件刚度大

于 B 组试件,与受压截面面积大小有关.进步一处理表 1 数据,应用式(1)计算试件的

静弹性模量,每组试件静弹性模量列于表 2 中.

表 2摇 落叶松胶合木静弹性模量

Tab. 2摇 The static modulus of elasticity of Dahurian Larch glulam

试件组编号 长 伊 宽 伊 高 / (mm 伊 mm 伊 mm) 静弹性模量 / Gpa 平均静弹性模量 / Gpa

A 137 伊 137 伊 500 13. 86B 105 伊 105 伊 500 15. 51C 105 伊 120 伊 500 15. 15

14. 48

摇 摇 表 2 可知,三组不同横截面尺寸的静弹性模量

有所差别,横截面尺寸大的弹性模量反而小:A 组 <B 组 < C 组.

通过测定三组落叶松胶合木的静弹性模量,计算所得其值大小为 14. 48 Gpa.

21 湖南生态科学学报 2015 年 3 月

3摇 落叶松胶合木动弹性模量测定试验

3. 1摇 原理及仪器

摇 摇 木材的声学特性是应力波测定弹性模量的物

理基础. 其中,纵向应力波法则主要用于测定木材

的动弹性模量,预测木材的力学性能[8,9] . 选用 FA鄄KOPP 2D 仪测动态模量.

3. 2摇 测定方法

选用尺寸分别为 137 mm 伊 137 mm 伊 500 mm,105 mm 伊105 mm 伊500 mm(A、B 组)落叶松胶合木

试件,将 FAKOPP 2D 仪器两端的传感器沿长度方向

钉入试样,使其角度 琢 臆45毅. 用仪器配置的小锤敲

击其中一端的传感器,应力波通过试样内部传给另

一端的传感器,并在仪器上显示应力波传播的时间

t. 以下公式可求得动态弹性模量[9] .Ed = 籽g淄2g103 (2)

式中, Ed 为木材动弹性模量,单位为 Mpa籽 为木材的密度,单位为 g / cm3

淄 为应力波速度,单位为 m / s试验在选取测试点时不但考虑可能存在的缺

陷、细裂缝,而且将胶层作为影响因素之一,因此沿

着顺纹方向(绿色)、横观沿边长方向(黄色)及体对

角线方向(红色)布置测试点,测试点的布置方法如

图 2 所示.

图 2摇 测试点布置图

Fig. 2摇 The arrangement drawings of test points

3. 3摇 测定结果及分析

1)横观各向同性. 分别计算不同方向的动弹性

模量,计算结果如表 3 所示. 由此表可知 Ez > Ex 抑Ey ,反映了落叶松胶合木的横观各向同性.

表 3摇 落叶松胶合木试件不同方向的动弹性模量

Tab. 3摇 The dynamic elastic modulus of the differentdirections of larch glulam specimens

试件编号 Ez / Gpa Ex / Gpa Ey / Gpa Ed / Gpa Exy / Gpa

A1 9. 63 1. 11 1. 02 6. 81 1. 07A2 14. 10 0. 98 0. 91 6. 52 0. 945A3 9. 52 0. 93 0. 91 6. 52 0. 92B1 11. 50 0. 61 0. 66 7. 55 0. 64B2 14. 22 0. 71 0. 63 7. 15 0. 67B3 12. 56 0. 72 0. 89 8. 31 0. 81

摇 摇 注: Ez —顺纹动弹性模量; Ex —横观 x 轴方向动弹性模量;Ey —横观 y 轴方向动弹性模量; Ed —对角线方向弹性模量; Exy —横观各向同性弹性模量.

2)对角线方向. 为了确定应力波传播最准确的

路径,计算 Exy、Ed、Ez 的标准差、平均值标准误差及

变异系数,结果如表 4 所示.

表 4摇 Exy、Ed、Ez 的标准差、平均值标准误差及变异系数

Tab. 4摇 Standard deviation,average deviation andcoefficient of variation of Exy、Ed、Ez

试件组号 Ez / Gpa Ed / Gpa Exy / Gpa

标准差 1. 67 0. 57 0. 15平均值标准误差 0. 53 0. 18 0. 05

变异系数 13. 9% 8. 00% 6. 02%

整理表 4 数据,有Ez / Ed = 1. 68Exy / Ed = 0. 12

摇 摇 由表 4 可知,对于变异系数,顺纹 >对角线 >横

纹. 因此沿对角线布置测试点准确性高于直接沿顺

纹测定,且前者考虑了胶层对动弹性模量的影响,更真实的反应构件整体的弹性模量.

4摇 静弹性模量与动弹性模量的对比分析

摇 摇 该研究分别采用应力应变片、应力波对落叶松

胶合木进行了静、动态弹性模量的测定,且计算出

顺纹方向静弹性模量 ES = 14. 48 Gpa,动弹性模量

ED = 11. 95 Gpa. 易知,两者相关系数 r 为:

r =ES

ED(3)

即

ES = 1. 23ED

且

31第 2 卷第 1 期 周红梅:兴安落叶松胶合木柱力学性能试验研究

ES - ED

ED= 8. 37% (4)

摇 摇 上式说明,在气干常温常湿度情况下,落叶松胶合

木材顺纹方向静弹性模量比动弹性模量的 8%左右. 静弹性模量、动弹性模量不仅在数值上存在相关性.

5摇 结摇 论

1)落叶松胶合木顺纹方向静弹性模量为 ES =14. 48 Gpa ;横截面尺寸与静弹性模量成负相关性.

2)落叶松胶合木顺纹方向动弹性模量 ED =11郾 95 Gpa , 且 Ey / Ex = 1. 02,Ez / Ex = 14. 57,Ez / Ey = 14. 23, 因此可以将 Ex 与 Ey 看做方向互

相垂直的等值弹性模量,证明了落叶松胶合木横观

各向同性的特征.3)对角线方向动弹性模量为 Ed = 7. 11 Gpa;与

顺纹方向动弹性模量 Ez 、横观方向 Exy 均具有相关

性:Ez / Ed = 1. 68,Exy / Ed = 0. 12;Ed < Ez 且前者考

虑了胶层对动弹性模量的影响,更真实的反应构件

整体的弹性模量;因此采用对角线测试点法能测定

落叶松胶合木的 Ez 、Exy 可行.4)在气干常温常湿度情况下,落叶松胶合木顺

纹方向静弹性模量比动弹性模量的 8% 左右;顺纹

方向静弹性模量 ES 与动弹性模量 ED 的相关系数 r为 1. 23,即 ES = 1. 23ED ;利用落叶松胶合木的动弹

性模量推算静弹性模量,简便又准确.

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Experimental Research on Mechanical Properties of Dahurian Larch Glulam

ZHOU Hong鄄mei

(Civil Engineering and Mechanics College,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China)

Abstract:This paper, taking Dahurian Larch as the raw material, studies the dynamic and staticmodulus of elasticity of Dahurian Larch according to the code for design of timber structures. With themethod of stress鄄strain gauge and stress wave,the result shows that the static modulus of elasticity is 1. 23as much as the dynamic modulus of elasticity. 2figs. ,4tabs. ,9refs.

Keywords:Dahurian Larch; Glulam; Mechanical PropertiesBiography:ZHOU Hong - mei,female, born in 1989,master graduate student,major in timberwork

basic research.

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