落叶松胶合木构件横纹受压性能试验研究

戴桂华，周先雁

（1. 湖南省张花高速公路建设开发有限公司，湖南 张家界 427000；2. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

落叶松胶合木构件横纹受压性能试验研究

戴桂华1，周先雁2

（1. 湖南省张花高速公路建设开发有限公司，湖南 张家界 427000；2. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

为研究落叶松胶合木构件横纹受压性能，选取落叶松为原材料制作胶合木试件，测定落叶松胶合木试件密度、含水率，进行横纹受压性能试验，探讨其破坏模式，并计算横纹抗压强度与横纹抗压弹性模量。试验结果表明：落叶松横纹受压破坏为塑性破坏；密度为0.64 g/cm3的落叶松胶合木构件横纹受压比例极限强度为60.78 MPa；试件含水率为11.3%与12%时的横纹抗压弹性模量分别为：254.8 MPa, 245.0 MPa。

落叶松；胶合木构件；横纹受压；比例极限；弹性模量

胶合木具有小材大用、劣材优用、强度 特别适用于建造大跨度公共建筑及桥梁。作高等特点，是建造现代木结构的重要材料, 为迄今唯一能制造出曲线型构件的材料，胶合木的出现突破了只能设计直线型构件的 拉伸强度，但受木节等缺陷的影响较小，因局限，使得建造曲线型场馆及现代木结构拱桥等重型木结构成为现实。在欧洲与北美，胶合木已有很长的发展历史。1906年，赫茨在德国注册的曲线型胶合构件的专利标志着拱形结构胶合木应用的真正开始。威斯康辛州Peshtigo市的学校和社区体育馆设计的胶合拱形木屋盖结构是美国的第一座胶合的建筑。1940年威斯康辛州的Yahara河上的詹妮弗人行桥采用了两榀24 m跨度的胶合拱。

近10年来，随着轻型木结构在我国的推广，重型木结构也迎来在国内发展的契机。一座跨度为33 m的拱形木结构人行桥于2004年在上海佘山建成。国内学者已对胶合木构件有所研究，并主要集中于其受弯、受拉及顺纹受压性能，对横纹受压性能的研究较少。木材的顺纹压缩强度虽稍低于横纹此，在工程中广泛应用于柱、斜撑等承压构件[1]。落叶松是我国东北地区的主要林木，具有资源丰富，极其耐寒、材质坚韧、耐腐性好的特点，是力学性较强的木材。因此，本实验选取落叶松为原材料制作胶合木构件，对落叶松胶合木构件横纹受压性能展开试验研究，并进行数值模拟，对比两者结果。

1 试验内容

1.1 试验材料

选用尺寸为100 mm×30 mm×1 000 mm的东北落叶松锯材作为原材料，以间苯二酚为胶黏剂，制作尺寸为120 mm×180 mm×120 mm胶合木试件。具体制作流程如图1所示：

图1 落叶松胶合木制作工艺流程Fig.1 Manufacturing-technology fl ow of larch glulam

1.2 试验方法

由于木材密度、含水率与受力性能密切相关，因此，在进行落叶松构件横纹受压试验前，需取得该批试件的密度参数。并在完成横纹试验之后立即在破坏部位的附近切取含水率试件， 用烘干法进行含水率测定。

1.2.1 密度的测定

木材密度对木材性能有很大影响，因此对横纹受压试件进行密度测定。参考GB/T 1933～2009《木材密度测定方法》[2]，选取5个尺寸为120 mm×180 mm×120 mm的试件进行测试。表1为试验测定的密度：

表1 试样密度Table 1 Densities of specimens

1.2.2 横纹受压性能的测试

横纹受压试验按其受力方式分为全表面受压、局部表面受压、近端局部表面受压[2]。本文仅进行全表面受压试验。根据GB/T50329-2002《木结构试验方法标准》[3]，将试件放置在300 KN万能试验机上，且试件截面面积小于液压机施加压力面的面积；以5 mm/min的速率单调匀速加载，观察试验机上的荷载-变形曲线，直到达到比例极限停止加载。加载前后的试件8如图2、图3所示：

图2 加载前的试件 8Fig.2 Specimen 8 before loaded

1.2.3 含水率的测定

选取5个横纹受压性能测试完后的试件，在靠近试件两端的试材上切取尺寸为120 mm×120 mm×15 mm的整截面小试件共5个[3]，参考GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》中的烘干法测定试件含水率[4]。小试件烘干前后的质量如表2所示：

图3 加载后的试件8Fig.3 Specimen 8 after loaded

表2 小试样含水率Table 2 Moisture contents of small specimens

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

在落叶松构件横纹抗压试验过程中发现：加载初期阶段，荷载的增大，变形大，变形的速度快。这是由于木材本身的纤维受到挤压变得更加密实，即荷载用于紧实木材材料本身并未产生抗力。随着荷载的继续增大，试件开始产生弹性变形，直到比例极限的出现。此过程中，变形与荷载呈现明显的线性关系。随后荷载继续增加，试件发生明显的挤压变形，如图3所示，其每个层板的变形不一致。这是因为胶合木每层层板的弹性模量不一致，所以发生的变形也不同。同时，超过比例极限的后期加载阶段伴随着木材压溃的声音，木节处出现开裂，荷载增量不大，变形却显著增加，表明此时木材的承载能力基本达到极限。另外，试件破坏后，试件侧面无裂缝开展。因此，从试验破坏形态及荷载-位移曲线(见图4)来看，落叶松胶合木构件横纹抗压为挤压破坏，属于塑性破坏。

图4 试件8的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of specimen 8

2.2 荷载-位移曲线

由于篇幅有限，只选取试件8的荷载位移曲线列出，如图4所示。值得注意的是，试验时仪器所记录的比例极限点不为计算的比例极限点，需按照以下方法确定比例极限点的坐标位置：曲线上该点的切线与荷载轴夹角的正切值，应取该曲线直线部分与荷载轴夹角的正切值的1.5倍，以该点坐标对应的荷载值作为该试件横纹承压的比例极限。

表3 比例极限强度Table 3 Strength of proportional limit

2.3 弹性模量

弹性模量是最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难以程度的表征[5]。因此计算试件的弹性模量是有意义的。GB/T1943-2009《木材横纹受压弹性模量测定方法》给出弹性模量的计算公式[6]：

式中，EW为试件含水率为W时的横纹抗压弹性模量，单位为兆帕（MPa）；ΔP为木材横纹压缩比例极限以内上限与下限荷载之间两点荷载只差，单位为牛（N）；l为标定变形的基距，单位为毫米（mm）；b为试样宽度，单位为毫米（mm）；t为试样厚度，单位为毫米（mm）；Δl—ΔP相对应的压缩变形值，单位为毫米（mm）。

由于每次试验所用试件的含水率是变化的，大部分规范规定所用木材含水率10%～12%，因此本文采用如下公式求得含水率12%时的标准弹性模量：

式中，E12为试样含水率为12%时的横纹抗压弹性模量，单位为兆帕（MPa）；W为试样含水率（%）。

根据含水率的不同，求得试件含水率为11.3%与12%时的横纹抗压弹性模量分别为：254.8 MPa,245.0 MPa，如表3所示。

3 结 论

（1）落叶松胶合木构件横纹抗压破坏形态为挤压破坏，属于塑性破坏。

（2）落叶松胶合木构件横纹受压比例极限强度为60.78 MPa，试件含水率为11.3%与12%时的横纹抗压弹性模量分别为：254.8 MPa，245.0 MPa。

[1] 孙训芳，方孝淑，关来泰. 材料力学（I）[M]. 北京：高等教育出版社，2002，8.

[2] 中国林业科学研究院木材工业研究所. GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》[S]. 北京：中国标准出版社.

[3] 重庆大学土木工程院. GB/T50329-2002《木结构试验方法标准》[S]. 北京：中 国建筑工业出版社.

[4] 中国林业科学研究院木材工业研究所. GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》[S]. 北京：中国标准出版社.

[5] 徐曼琼，鹿振友，李 黎，等. 火炬松木材的抗弯弹性模量和抗弯强度的变异[J]. 北京林业大学学报，2001,23(4):57-59

[6] 中国林业科学研究院木材工业研究所. GB/T 1943-2009《木材横纹受压弹性模量测定方法》[S]. 北京：中国标准出版社.

Experimental study on transverse striation compression performance of glue laminated wood member of larch

DAI Gui-hua1, ZHOU Xian-yan2
(1. Zhanghua Expressway Construction Development Co., Ltd., Zhangjiajie 427000, Hunan, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Larch wood was adopted as the materials to manufacture the glued-laminated (glulam) members for measuring their transverse striation compression performance. The determinations of density and moisture content of specimens were conducted, coordinating with the experiments of the transverse striation compression strength. Afterwards the failure forms are observed, meanwhile the compression strength perpendicular to grain and modulus of elasticity in compression perpendicular to grain can be obtained. It is turned out that the larch glulam under the compression perpendicular to grain behaveed mostly as the characteristics of plastic failure，and the compression strength perpendicular to grain was 60.78 MPa. The results also show that the elasticity modulus in compression perpendicular to grain was 254.8 MPa with the moisture content was 11.3%, while it was 245.0 MPa with the moisture content was 12%.

larch; glulam members; compression perpendicular to grain; proportional limit; elasticity modulus

S791.22

A

1673-923X(2012)12-0208-03

2012-06-13

国家林业局948项目（2010-4-14）；国家自然科学基金项目（50978258）

戴桂华（1965- ），男，高级工程师，主要从事工程新材料的应用研究，E-mail：649766027@qq.com

[本文编校：罗 列]