黔东南州杉木物理力学性能研究

王展光 石 昂 王婷婷 邵建华

(1.凯里学院建筑工程学院 贵州凯里 556011;2.江苏科技大学土木工程与建筑学院 江苏镇江 212003)

0 引言

2014年，黔东南州对全州民族村寨进行了普查，统计发现全州共有建寨史100年以上、百年未发生过重大火灾的、传统习俗保存完整的民族村寨726个，民族村寨95%以上都是木质建筑，其材料大部分采用本地生长的杉木。对黔东南本地生产的杉木材料性能进行研究，对于分析和了解黔东南木结构的性能具有重要的意义。

目前，在木结构规范和相关工具书对杉木的材料力学性能都有相关的推荐值[1-3]。如，胡旭对黔东南木材性能进行了初步分析。该试验采用同批次的黔东南生长的杉木，按照木材性能测试规范的规定加工成标准试件，对其进行木材基本物理性能测试，虽然在总体上对黔东南生长的杉木材料性能研究还较为缺乏，但该研究对后续研究黔东南木结构性能奠定基础，为黔东南木结构设计和维修提供材料性能参数。

1 试验研究

1.1 试件设计和制作

试样采用从黔东南本地生产的杉木，对其进行抗弯弹性模量、顺纹抗拉弹性模量和抗拉强度、顺纹抗压弹性模量和顺纹泊松比、横纹径向抗压弹性模量和横纹径向泊松比、横纹弦向抗压弹性模量和横纹弦向泊松比、抗压强度等几个方面基本材料力学性能进行测试，相关试件的数量和试件尺寸[5-10]，如表1和图1所示。

表1 杉木材料性能试件

(a)抗弯弹性模量试件

(b)顺纹抗拉弹性模量和强度试件

(c)顺纹抗压弹性模量和泊松比试件 (d) 横纹径向弹性模量和泊松比试件

(e)横纹弦向抗压弹性模量和泊松比试件 (f) 抗压强度

1.2 测试内容及试验加载

杉木试件加工好后，在相应的部位贴上应变片，进行相关部位的应变数据进行采集。杉木材料性能实验在济南试金集团有限公司微机控制电子万能试验机(WDW-50E)上进行。荷载-位移曲线由IMP数据采集系统进行采集。对试件采用控制位移的方法进行加载，加载速度为1mm/min，直至整个构件破坏或承载力下降到峰值荷载的50%。

2 试验结果与讨论

2.1 顺纹抗拉弹性模量和抗拉强度

黔东南杉木的顺纹抗拉弹性模量和抗拉强度的加工试件和试验后的破坏试件(图2)。其顺纹抗拉应力-应变曲线(图3)，从图中可以看出，杉木在顺纹拉伸情况，其拉伸曲线几乎为线性，应力随着应变增大，当应变达到最大时，突然断裂。

图2 黔东南杉木的顺纹抗拉试件

图3 顺纹抗拉应力-应变曲线

对所有试件数据进行汇总和分析，黔东南杉木顺纹抗拉弹性模量平均值为10 969.7MPa，顺纹抗拉强度平均值为59.64MPa，相关结果如表2所示。

表2 顺纹抗拉弹性模量和抗拉强度实验数据

2.2 顺纹抗压弹性模量和顺纹泊松比

黔东南杉木顺纹抗压试件如图4所示，其顺纹抗压应力应变曲线如图5所示。从图中可以看出，黔东南杉木在顺纹受压应力随着应变的增长而增长，在不考虑初始变形情况下，其应力应变曲线可以划分为线弹性和弹塑性阶段。

图4 杉木顺纹抗压试件

图5 顺纹抗压应力-应变曲线

对所有顺纹抗压数据进行汇总和分析，黔东南杉木顺纹抗压弹性模量平均值为11 059.7MPa，顺纹两个方向的泊松比相近，平均值分别为0.548和0.461，相关结果如表3～表4所示。

表3 顺纹抗压弹性模量实验数据

表4 顺纹泊松比实验数据

2.3 横纹径向抗压弹性模量和横纹径向泊松比

黔东南杉木横纹径向抗压试件如图6所示，其横纹径向抗压应力-应变曲线如图7所示。从图中可以看出，黔东南杉木在横纹径向应力应变曲线与顺纹受压应力应变曲线相似，其受压应力随着应变的增长而增长，应力应变曲线可以划分为两个阶段，分别为线弹性和弹塑性阶段。

图6 杉木横纹径向抗压试件

图7 横纹径向抗压应力-应变曲线

对所有横纹径向抗压数据进行汇总和分析，黔东南杉木横纹径向抗压弹性模量平均值为217.1MPa，只有顺纹抗压弹性模量的1/50左右；横纹径向泊松比平均值为0.018，只有顺纹泊松比的1/30左右；相关结果如表5～表6所示。

表5 横纹径向抗压弹性模量实验数据

表6 横纹径向泊松比实验数据

2.4 横纹弦向抗压弹性模量和横纹弦向泊松比

黔东南杉木横纹弦向抗压试件如图8所示，其横纹弦向抗压应力应变曲线如图9所示。从图中可以看出，黔东南杉木在横纹弦向应力应变曲线与杉木顺纹受压应力应变曲线相似，其受压应力随着应变的增长而增长，应力应变曲线可以划分为两个阶段，分别为线弹性和弹塑性阶段。

图8 杉木横纹弦向抗压试件

图9 横纹弦向抗压应力-应变曲线

对所有横纹弦向抗压数据进行汇总和分析，黔东南杉木横纹径向抗压弹性模量平均值为242.7MPa，与横纹径向抗压弹性模量相近；横纹径向泊松比平均值分别为0.0127和0.409，其中一个方向泊松比是另一个方向的32倍；相关结果如表7～表8所示。

表7 横纹弦向抗压弹性模量实验数据

表8 横纹弦向泊松比实验数据

2.5 抗压强度

由于杉木为各向异性材料，黔东南杉木的抗压强度主要包括顺纹抗压强度、横纹径向抗压强度和横纹弦向抗压强度，3个方向的抗压强度试件如图10所示，试验结果如表9所示。从表9可以看出，该顺纹抗压强度为38.14MPa，远远大于横纹径向抗压强度和横纹弦向抗压强度,是其的11倍。

(a)顺纹 (b) 横纹径向 (c) 横纹弦向

表9 抗压强度实验数据

2.6 抗弯弹性模量

黔东南杉木的抗弯模量试件如图11所示，试验结果如表10所示。从表10可以看出，黔东南杉木的抗弯模量2572.2MPa，远小于顺纹抗压弹性模量，是顺纹抗压弹性模量的1/4左右；远大于横纹径向和弦向抗压弹性模量，是横纹径向和弦向抗压弹性模量的10倍。

图11 杉木抗弯试件

表10 抗弯弹性模量实验数据

3 结论

通过对黔东南杉木的木材基本物理性能进行测试，结论如下：

(1)黔东南杉木在顺纹拉伸情况下应力应变曲线为线性。

(2)黔东南杉木在顺纹和横纹压缩情况下，压缩应力应变曲线相似，分为线弹性阶段和弹塑性阶段，顺纹抗压弹性模量远大于横纹径向和横纹弦向弹性模量。

(3)黔东南杉木的抗压强度主要包括顺纹抗压强度、横纹径向抗压强度和横纹弦向抗压强度，顺纹抗压强度远远大于横纹径向抗压强度和横纹弦向抗压强度。

(4)黔东南杉木的抗弯模量远小于顺纹抗压弹性模量，远大于横纹径向和弦向抗压弹性模量。