木材的力學性能參數(shù)分析整理

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木 材 的 力 學 性 能 參 數(shù) 目 錄 1.1木材的力學性質(zhì)………………………………………………P3 2.1木材力學基礎(chǔ)理論……………………………………………P3~ P8 2.1.1應(yīng)力與應(yīng)變 2.1.2彈性和塑性 2.1.3柔量和模量 2.1.4極限荷載和破壞荷載 3.1木材力學性質(zhì)的特點…………………………………………P8~ P20 3.1.1木材的各向異性 3.1.2木材的正交對稱性與正交異向彈性 3.1.3木材的粘彈性 3.1.4木材的松弛 3.1.5木材塑性 3.1.6木材的強度、韌性和破壞 3.1.7單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點 4.1木材的各種力學強度及其試驗方法………………………P20~ P28 4.1.1力學性質(zhì)的種類 5.1木材力學性質(zhì)的影響因素…………………………………P28~ P31 5.1.1木材密度的影響 5.1.2含水率的影響 5.1.3溫度的影響 5.1.4木材的長期荷載 5.1.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響 5.1.6缺陷的影響 6.1木材的允許應(yīng)力…………………………………………P31~ P33 6.1.1木材強度的變異 6.1.2荷載的持久性 6.1.3木材缺陷對強度的影響 6.1.4構(gòu)件干燥缺陷的影響 6.1.5荷載偏差的折減 6.1.6木材容許應(yīng)力應(yīng)考慮的因素 7.1常用木材物理力學性能……………………………………P34~ P36 1.1木材的力學性質(zhì) 主要介紹:木材力學性質(zhì)的基本概念、木材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系； 木材的正交異向彈性、木材的黏彈性、木材的塑性； 木材的強度與破壞、單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點； 基本的木材力學性能指標； 影響木材力學性質(zhì)的主要因素等。 1.1.1木材的力學性質(zhì)：木材在外力作用下，在變形和破壞方面所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。 1.1.2木材的力學性質(zhì)主要包括：彈性、塑性、蠕變、抗拉強度、抗壓強度、抗碗強度、抗減強度、沖擊韌性、抗劈力、抗扭強度、硬度和耐磨性等。 1.1.3木材力學性質(zhì)的各向異性：與一般鋼材、混凝土及石材等材料不同，木材屬生物材料，其構(gòu)造的各向異性導致其力學性質(zhì)的各向異性。因此，木材力學性質(zhì)指標有順紋、橫紋、徑向、弦向之分。 1.1.4了解木材力學性質(zhì)的意義：掌握木材的特性，合理選才、用材。 2.1木材力學基礎(chǔ)理論 2.1.1應(yīng)力與應(yīng)變（stress and strain） 2.1.1.1應(yīng)力 定義：材料在外力作用下，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi) 力，包括壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎應(yīng)力等。 單位：N/mm2(=MPa) 壓縮應(yīng)力：短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力稱為壓縮應(yīng)力； 壓應(yīng)力：σ=-P/A 拉伸應(yīng)：短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力稱為拉伸應(yīng)力； 拉應(yīng)力：σ=P/A 剪應(yīng)力：當作用于物體的一對力或作用力與反作用力不在同一條作用線上，而使物體產(chǎn)生平行于應(yīng)力作用面方向被剪切的應(yīng)力；τ=P/AQ 2.1.1.2應(yīng)變 定義：外力作用下，物體單位長度上的尺寸或形狀的變化； 應(yīng)變：ε=⊿L / L 2.1.1.3應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 應(yīng)力—應(yīng)變曲線：曲線的終點M表示物體的破壞點。 2.1.1.4比例極限與永久變形: 比例極限應(yīng)力：直線部分的上端點P對應(yīng)的應(yīng)力; 比例極限應(yīng)變：直線部分的上端點P對應(yīng)的應(yīng)變; 塑性應(yīng)變（永久應(yīng)變）：應(yīng)力超過彈性限度，這時如果除去應(yīng)力，應(yīng)變不 會完全回復，其中一部分會永久殘留。 2.1.1.5破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變 破壞應(yīng)力、極限強度：應(yīng)力在M點達到最大值，物體產(chǎn)生破壞(σM); 破壞應(yīng)變：M點對應(yīng)的應(yīng)變(ε M ) 。 2.1.1.6屈服應(yīng)力 當應(yīng)力值超過彈性限度值并保持基本上一定，而應(yīng)變急劇增大，這種現(xiàn)象叫屈服，而應(yīng)變突然轉(zhuǎn)為急劇增大的轉(zhuǎn)變點處的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力(σY)。 2.1.2彈性和塑性(elasticity and plasticity) 彈性：物體在卸除發(fā)生變形的荷載后，恢復其原有形狀、尺寸或位置的能力; 塑性：物體在外力作用下，當應(yīng)變增長速度大于應(yīng)力增長速度，外力消失后木材產(chǎn)生永久殘留變形部分，為塑性變形，木材的這一性質(zhì)叫塑性; 塑性應(yīng)變（永久應(yīng)變）：應(yīng)力超過彈性限度，這時如果除去應(yīng)力，應(yīng)變不會完全回復，其中一部分會永久殘留。 彈性變形實際上是分子內(nèi)的變形和分子間鍵距的伸縮；塑性變形實際上是分子間相對位置的錯移。 2.1.3柔量和模量(compliance and modulus) 在彈性限度范圍內(nèi),大多數(shù)材料應(yīng)力與應(yīng)變間有如下關(guān)系:σ= Eε，(胡克定律) 彈性模量（ E ):物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料抵抗變形能力的大小，E=應(yīng)力/應(yīng)變,物體的彈性模量值愈大，在外力作用下愈不易變形，材料的強度也愈大, E = σ / ε叫彈性模量。 柔量：彈性模量的倒數(shù)，表征材料在荷載狀態(tài)下產(chǎn)生變形的難易程度, a= E-1 =ε/σ為柔量. 彈性模量的意義：在彈性范圍內(nèi)，物體抵抗外力使其改變形狀或體積的能力。是材料剛性的指標。 2.1.4極限荷載和破壞荷載(maximum loading and destroy loading) 極限荷載：試件達到最大應(yīng)力時的荷載。 破壞荷載：試件完全破壞時的荷載。 氣干材上述兩個值相同；而濕木材兩者不同，破壞荷載常低于極限荷載。 3.1木材力學性質(zhì)的特點 3.1.1木材的各向異性 表現(xiàn)在木材的物理性質(zhì)，如干縮、濕脹、擴散、滲透等。在力學性能上，如彈性、強度和加工性等方面。從強度上來看，木材的壓縮、拉伸、彎曲及沖擊韌性等均為當應(yīng)力方向與纖維方向平行時，強度值最大，隨著兩者之間的傾角變大，強度銳減。 前述木材物理性質(zhì)（干縮性、熱、電、聲學等）構(gòu)造性質(zhì)各向異性，同樣木材力學性質(zhì)亦存在著各向異性。木材大多數(shù)細胞軸向排列，僅少量木射線徑向排列。木材為中空的管狀細胞組成，其各個方向施加外力，木材破壞時產(chǎn)生的極限應(yīng)力不同。例如順紋抗拉強度可達120.0-150.0Mpa，而橫紋抗拉強度僅3.0-5.0Mpa(C-H,H-O)，這主要與其組成分子的價鍵不同所致。軸向纖維素鏈狀分子是以C-C、 C-O鍵連接，而橫向纖維素鏈狀分子是以C-H、H-O連接，二者價鍵的能量差異很大。 3.1.1.1木材力學性質(zhì)各向異性原因： 木材宏觀上呈層次狀：同心圓狀年輪 木材有縱向和橫向組織：大多數(shù)細胞和組織呈軸向，射線組織呈徑向。胞壁結(jié)構(gòu)：細胞壁各層微纖絲排列方向不同 胞壁的成分：以纖維素為骨架。 纖維素的結(jié)構(gòu)、晶胞有關(guān)：單斜晶體。 3.1.2木材的正交對稱性與正交異向彈性 3.1.2.1 彈性常數(shù) 彈性模量（ E ）：物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料抵抗變形能力的大小，E=應(yīng)力/應(yīng)變 剪切彈性模量G：剪切應(yīng)力τ與剪切應(yīng)變γ之間在小的范圍內(nèi)符合： τ=Gγ 或 G=γ/τ G 為剪切彈性模量，或剛性模量。 泊松比 ：物體的彈性應(yīng)變在產(chǎn)生應(yīng)力主軸方向收縮（拉伸）的同時還伴隨有垂直于主軸方向的橫向應(yīng)變，將橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比稱為泊松比（ m ）。 分子表示橫向應(yīng)變，分母表示軸向應(yīng)變 正交異向彈性：木材為正交異性體。彈性的正交異性為正交異向彈性。 木材的正交對稱性: 木材具有圓柱對稱性，使它成為近似呈柱面對稱的正交對稱性物體。符合正交對稱性的材料，可以用虎克定律來描述它的彈性。 方程中有3個彈性模量、3個剪切彈性模量和3個泊松比。不同樹種間的這9個常數(shù)值是存在差異。 木材是高度各向異性材料，木材三個主方向的彈性模量即EL>>ER >ET 幾種木材的彈性常數(shù) 材料 密度 g/cm3 含水率% EL MPa ER MPa ET MPa GLT MPa GLR MPa GTR MPa μRT μLR μLT 針葉樹材 云杉 0.390 12 11583 896 496 690 758 39 0.43 0.37 0.47 松木 0.550 10 16272 1103 573 676 1172 66 0.68 0.42 0.51 花旗松 0.590 9 16400 1300 900 910 1180 79 0.63 0.43 0.37 闊葉樹材 輕木 0.200 9 6274 296 103 200 310 33 0.66 0.23 0.49 核桃木 0.590 11 11239 1172 621 690 896 228 0.72 0.49 0.63 白蠟?zāi)? 0.670 9 15790 1516 827 896 1310 269 0.71 0.46 0.51 山毛櫸 0.750 11 13700 2240 1140 1060 1610 460 0.75 0.45 0.51 3.1.3木材的粘彈性 流變學：討論材料荷載后的彈性和黏性的科學。(討論材料后荷載應(yīng)力---應(yīng)變之間關(guān)系隨時間變化的規(guī)律) 蠕變和松弛是黏彈性的主要內(nèi)容。木材的黏彈性同樣依賴于溫度、負荷時間、加荷速率和應(yīng)變幅值等條件，其中溫度和時間的影響尤為明顯。 3.1.3.1木材的蠕變 概念(creep)：指在恒定外力作用下(應(yīng)力不變), 應(yīng)變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。 由于木材的粘彈性而產(chǎn)生三種變形：瞬時彈性變形、粘彈性變形、塑性變形。 蠕變：在恒定應(yīng)力下，木材應(yīng)變隨時間的延長而逐漸增大的現(xiàn)象。瞬時彈性變形:與加荷速度相適應(yīng)的變形，它服從于胡克定律； 黏彈性變形:加荷過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時間遞減的彈性變形 塑性變形:最后殘留的永久變形。 差異：黏彈性變形是纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成的，變形是可逆的，但較彈性變形它具有時間滯后性。塑性變形是纖維素分子鏈因荷載而彼此滑動，變形是不可逆轉(zhuǎn)的。 蠕變曲線： OA-----加載后的瞬間彈性變形，AB-----蠕變過程，（t0→t1）t↗→ε↗ BC1 ----卸載后的瞬間彈性回復，BC1==OA， C1D----蠕變回復過程，t↗→ε緩慢回復，故蠕變AB包括兩個組分：彈性的組分C1C2——初次蠕變（彈性后效變形），剩余永久變形C2C3=DE——二次蠕變（塑性變形）， 木材蠕變曲線變化表現(xiàn)的正是木材的黏彈性質(zhì)。 蠕變規(guī)律： （1）對木材施載產(chǎn)生瞬時變形后，變形有一隨時間推移而增大的蠕變過程； （2）卸載后有一瞬時彈性恢復變形，在數(shù)值上等于施載時的瞬時變形； （3）卸載后有一隨時間推移而變形減小的蠕變恢復，在此過程中的是可恢復蠕變部分； （4）在完成上述蠕變恢復后，變形不再回復，而殘留的變形為永久變形，即蠕變的不可恢復部分； （5）蠕變變形值等于可恢復蠕變變形值和不可恢復蠕變變形值之和。 3.1.3.2單向應(yīng)力循環(huán)加載時的蠕變特點 能量的損耗隨著每個周期增大，意味著在變形中做了更多的功，同時造成材料蠕變的不可恢復部分越來越大。 3.1.3.3蠕變的消除 對木材施加一荷載，荷載初期產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線OA′，卸載產(chǎn)生曲線A ′ B ′ ，殘留了永久變形OB ′ 。為了使永久變形消失而重新獲得物體的原來形狀，必須施加與產(chǎn)生曲線應(yīng)力符號相反的應(yīng)力OC ′ ，而形成這段曲線B ′ C ′ ；當OC ′繼續(xù)增大到等于A ′ P ′ ， B ′C ′將延至C ′ D ′ ；卸去這個符號相反的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線D ′ E ′ ，也不能恢復到原形，殘留負向的永久變形E ′ O ′ 。再次通過反向應(yīng)力OF ′ ，材料才能恢復原形。如果再繼續(xù)增大應(yīng)力，則產(chǎn)生曲線F ′ A ′ ，與原曲線構(gòu)成一個環(huán)狀閉合。 A ′ B ′ D ′ F ′封閉曲線所包圍的面積相當于整個周期中的能量損耗。 3.1.3.4蠕變的影響因素 (1)時間：(2)木材的含水率：水分在木材內(nèi)，從一吸著處到另一吸著處，其中包括氫鍵的松散或破壞，木材這一暫時的削弱便導致在荷載下的微小變形，變形的累積可能最終導致破壞。 (3)載荷(4) 溫度：當空氣的溫度和濕度增加時，木材的總變形量和變形速度也增加。 3.1.4木材的松弛 松弛:在恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨時間的延長而逐漸減少的現(xiàn)象。 松弛與蠕變的區(qū)別在于：在蠕變中，應(yīng)力是常數(shù)，應(yīng)變是隨時間變化的可變量；而在松弛中，應(yīng)變是常數(shù)，應(yīng)力是隨時間變化的可變量。 3.1.4.1松弛曲線:應(yīng)力—時間曲線 Kitazawa松弛公式：σt= σ1(1-m log t) m為松弛系數(shù),松弛系數(shù)隨樹種和應(yīng)力種類而有不同，但更受密度和含水率影響，m值與密度成反比，與含水率成正比。 木材蠕變特性研究簡介: 木材的蠕變特性曲線是一粘彈性曲線 木材蠕變特性曲線 木材的蠕變變形由三部分組成： 第一部分 是由木材內(nèi)部高度結(jié)晶的微纖絲構(gòu)架而引起的 彈性變形，這種變形是瞬間完成； 第二部分是鏈段的伸展而引起的延遲彈性變形，這種變形是隨時間而變化的； 第三部分是高分子的相互滑移引起的粘性流動。 力學模型： 數(shù)學模型 根據(jù)流變學理論，其任一瞬時的蠕變?nèi)崃縅（t）為: 3.1.5木材塑性 3.1.5.1塑性與塑性變形 塑性變形:當施加于木材的應(yīng)力超過木材的彈性限度時，去除外力后，木材仍會殘留一個當前不能恢復的變形，將這個變形稱為塑性變形。塑性:木材所表現(xiàn)出的這一性質(zhì)稱為塑性。 木材的塑性是由于在應(yīng)力作用下，高分子結(jié)構(gòu)的變形及相互間相對移動的結(jié)果。木材屬于塑性較小的材料。 3.1.5.2木材塑性的影響因素 影響木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和溫度，其中含水率和溫度的影響十分顯著。含水率:隨含水率增加而增大。 溫度:隨溫度升高而加大，這種性質(zhì)往往被稱為熱塑性。 3.1.5.3木材塑性的應(yīng)用 干燥時，木材由于不規(guī)則干縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會破壞其組織的內(nèi)聚力，而塑性的產(chǎn)生可以抵消一部分木材的內(nèi)應(yīng)力。木材的塑性在木材的軟化、人造板成型等工藝中有利。 3.1.6木材的強度、韌性和破壞 3.1.6.1木材的強度 強度是指材料抵抗其受施應(yīng)力而不致破壞的能力，表示單位截面積上材料的最大承載能力。單位：N/mm2 ＝Mpa。 木材是各向異性的高分子材料，根據(jù)所施加應(yīng)力的方式和方向的不同，木材具有順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度、抗彎強度等多項力學強度指標參數(shù)。 3.1.6.2木材的韌性 韌性是指材料在不致破壞的情況下所能抵御的瞬時最大沖擊能量。單位：KJ/m2 韌性材料往往是強度大的材料，但也有不符合這個關(guān)系的。 3.1.6.3木材的破壞 (1) 破壞木材結(jié)構(gòu)破壞是指其組織結(jié)構(gòu)在外力或外部環(huán)境作用下發(fā)生斷裂、扭曲、錯位，而使木材宏觀整體完全喪失或部分喪失原有物理力學性能的現(xiàn)象。 (2) 木材破壞的原因 纖維素賦予木材彈性和強度；木質(zhì)素賦予木材硬度和剛性；半纖維素起填充作用，它賦予木材剪切強度。從細胞壁結(jié)構(gòu)和細胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)來看，木材發(fā)生破壞的原因是微纖絲和纖維素骨架的填充物的撕裂，或纖維素骨架的填充物的剪切，或纖維被壓潰所引起。任何條件對木材破壞的決定性作用都取決于應(yīng)力狀態(tài)的類型。 3.1.7單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點 3.1.7.1順紋壓縮* 順紋壓縮破壞的宏觀征狀：最初現(xiàn)象是橫跨側(cè)面的細線條，隨著作用力加大，變形隨之增加，材面上開始出現(xiàn)皺褶。 破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見，破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。干的木材通常產(chǎn)生劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂，而非木射線與鄰接的構(gòu)造分子之間的分離。 3.1.7.2橫紋壓縮 木材橫紋壓縮是指作用力方向與木材紋理方向相垂直的壓縮。木材進行壓縮時，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是一條非線性的曲線：常規(guī)型是散孔材橫壓時的特征，為不具平臺的連續(xù)曲線。 三段型是針葉樹材和闊葉樹材環(huán)孔材徑向受壓時的特征曲線:橫紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線OA-早材的彈性曲線AB-早材壓損過程曲線BC-晚材彈性曲線而當弦向壓縮時不出現(xiàn)三段式曲線。 3.1.7.3順紋拉伸 木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲之間的剪切。微纖絲縱向結(jié)合非常牢固，所以順紋拉伸時的變形不大，通常應(yīng)變值小于1%～3%，強度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強度也未能充分發(fā)揮，因為木材的纖維會在微纖絲之間撕開。木材順紋剪切強度特別低，通常只有順紋抗拉強度的6%～10%。 破壞斷面通常呈鋸齒狀、細裂片狀或針狀撕裂。其斷面形狀的不規(guī)則程度，取決于木材順拉強度和順剪強度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強度較弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。 3.1.7.4橫紋拉伸 木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。木材的橫紋拉伸強度很低，只有順紋拉伸強度的1/35～1/65。由此可知，木材在徑向和弦向拉伸時的強度差，取決于木材密度及射線的數(shù)量與結(jié)構(gòu)。 3.1.7.5順紋剪切 順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見的為順紋剪切，又分為弦切面和徑切面。木材順紋剪切的破壞特點是木材纖維在平行于紋理的方向發(fā)生了相互滑移。弦切面的剪切破壞（剪切面平行于生長輪）常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑移，破壞表面較光滑。徑切面剪切破壞（剪切面垂直于年輪），其表面較粗糙。 4.1木材的各種力學強度及其試驗方法 木材的各種力學強度有縱向和橫向之分，橫向又分為徑向和弦向。 4.1.1力學性質(zhì)的種類: 按照外力種類分類：壓縮強度、拉伸強度、抗彎強度、抗剪強度、沖擊強度、硬度、 韌性等。 按荷載速度和作用方法分：靜態(tài)強度、沖擊強度、疲勞強度和蠕變強度。 4.1.1.1抗壓強度 1. 順紋抗壓強度(compression strength parallel to the grain)我國木材順壓強度平均值為45MPa。測試方法：2020 30mm破壞的宏觀癥狀：破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見，破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。干的木材通常產(chǎn)生劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂。 我國國家標準《木材物理力學試驗方法》（GB 1927-1943-91）規(guī)定，只測定短柱的最大抗壓強度。其試樣尺寸為202030mm，長度平行于木材紋理；σw＝P/a b σ12＝σw[1+0.05(W-12)]式中：P——破壞荷載，N；a，b——試樣斷面尺寸，mm；W——試驗時的木材含水率(％)；σw、σ12——木材氣干狀態(tài)、標準含水率12%時的強度，Mpa。我國木材順壓強度的平均值約為45Mpa；順壓比例極限與強度的比值約為0.7，針葉樹材該比值約為0.78，軟闊葉樹材為0.70，硬闊葉樹材為0.66。針葉樹材具有較高比例極限的原因是，它的構(gòu)造較單純且有規(guī)律；硬闊葉樹環(huán)孔材因構(gòu)造不均一，使這一比值最低。 4.1.1.2橫紋抗壓強度 (1)分局部受壓和全部受壓： (2)又可以分為徑向和弦向受壓： a.針葉樹材和闊葉樹材的環(huán)孔材徑向受壓：見右圖，由3段不同斜率的曲線組成。 b.針葉樹材和環(huán)孔材的弦向受壓：不出現(xiàn)3段曲線組成 4.1.1.3抗拉強度 木材順紋抗拉強度，是指木材沿紋理方向承受拉力荷載的最大能力。木材的順紋抗拉強度較大，各種木材平均約為117.7－147.1MPa，為順紋抗壓強度的2－3倍。木材在使用中很少出現(xiàn)因被拉斷而破壞。木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂粗微纖絲和微纖絲間的剪切。微纖絲縱向的C-C、C-O鍵結(jié)合非常牢固，所以順拉破壞時的變形很小，通常應(yīng)變值小于1％~3％，而強度值卻很高。 木材順紋抗拉力學試樣及其受力方向 試驗時采用附有自動對直和拉緊夾具的試驗機進行，試驗以均勻速度加荷，在1.5-2.0分鐘內(nèi)使試樣破壞。順紋抗拉強度按下式計算。 σw＝P/a.b 式中：P——最大荷載,N；a，b一試樣工作部位橫斷面(cm2)； W一試驗時的木材含水率(％)。 4.1.1.4 橫紋抗拉強度 木材的橫紋拉力比順紋拉力低得多，一般 只有順紋拉力的l/30—1/40。因為木材徑 向受拉時，除木射線細胞的微纖絲受軸向 拉伸外，其余細胞的微纖絲都受垂直方向 的拉伸；橫紋方向微纖絲上纖維素鏈間是 以氫鍵（-OH）接合的，這種鍵的能量比木 材纖維素縱向分子間C-C、C-O鍵接合的能量要小得多。此外，橫紋拉力試驗時，應(yīng)力不易均勻分布在整個受拉上，往往先在一側(cè)被拉劈，然后擴展到整個斷面而破壞，并非真正橫紋抗拉強度。 4.1.1.5木材的抗彎強度和抗彎彈性模量 木材抗彎強度是指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力，可以用曲率半徑的大小來度量。它與樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等有關(guān)。木材抗彎強度亦稱靜曲強度，或彎曲強度，是重要的木材力學性質(zhì)之一，主要用于家具中各種柜體的橫梁、建筑物的桁架、地板和橋梁等易于彎曲構(gòu)件的設(shè)計。靜力荷載下，木材彎曲特性主要決定于順紋抗拉和順紋抗壓強度之間的差異。因為木材承受靜力抗彎荷載時，常常因為壓縮而破壞，并因拉伸而產(chǎn)生明顯的損傷。對于抗彎強度來說，控制著木材抗彎比例極限的是順紋抗壓比例極限時的應(yīng)力，而不是順紋抗拉比例極限時應(yīng)力。 各樹種木材抗彎強度平均值約為90MPa左右。針葉樹材徑向和弦向抗彎強度間有一定的差異，弦向比徑向高出10％~12％；闊葉樹材兩個方向上的差異一般不明顯?？箯潖姸鹊臏y定方法各國不同，區(qū)別在于試樣的尺寸、加荷方式和加荷速度的差別。我國國家標準規(guī)定：試樣斷面為2020mm，長度為300mm，跨度為240mm；中央荷載，弦向加荷；試驗以均勻速度加荷，在1-2分鐘內(nèi)使試樣破壞。試驗時為避免試樣在支座和受力點產(chǎn)生壓痕，影響試驗結(jié)果，在支座和受力點上應(yīng)加鋼質(zhì)墊片。墊片的尺寸為30205mm。 抗彎強度用下式計算 σw ＝3PL/2bh2 (Mpa) σ12＝σw [1+0.04（W-12）] (Mpa) 式中： σw ——木材試樣氣干狀態(tài)下的抗彎強度 P——破壞時的荷載，N；L——跨度，240mm；b——試樣寬度，mm； h——試樣高度，mm；W——試驗時試樣的含水率 (％) 抗彎彈性模量 木材抗彎彈性模量是指木材受力彎曲時，在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比，用于計算梁及桁架等彎曲荷載下的變形以及計算安全荷載。 木材的抗彎彈性模量代表木材的剛性或彈性，表示在比例極限以內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，也即表示梁抵抗彎曲或變形的能力。梁在承受荷載時，其變形與彈性模量成反比，彈性模量大，變形小，其木材剛度也大 4.1.1.6抗剪切強度 1. 一般只測順剪強度，平均只有順壓強度的10-30%。紋理較斜的木材，如交錯紋理、渦紋、亂紋等順剪強度較大。 2. 分類：順紋剪切強度、橫紋剪切強度 木材抗剪試樣與受力支架 1—附件主桿 2—塊 3—L形塊 4，5—螺桿 6—壓塊 7—試樣 8—圓頭螺釘 木材的順紋抗剪強度視木材受剪面的不同，分為弦面抗剪強度和徑面抗剪強度,如圖。剪切面平行于年輪的弦面剪切，其破壞常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑行，破壞表面較光滑，但略有起伏，面上帶有細絲狀木毛。剪切面垂直于年輪的徑面，剪切破壞時，其表面較為粗糙，不均勻而無明顯木毛。在擴大鏡下，早材的一些星散區(qū)域上帶有細木毛。 木材順剪強度較小，平均只有順紋抗壓強度的10％~30％。紋理較斜的木材，如交錯紋理、渦紋、亂紋等,其順剪強度會明顯增加。闊葉樹材順剪強度平均比針葉樹材高出1/2。闊葉樹材弦面抗剪強度較徑面高出10％~30％，如木射線越發(fā)達，這種差異更加明顯。針葉樹材，其徑面和弦面的抗剪強度大致相同。 4.1.1.7沖擊韌性 木材的沖擊韌性，是指木材受沖擊力而彎曲折斷時，試樣單位面積所吸收的能量。吸收的能量越大，表明木材的韌性越高而脆性越低。沖擊韌性與其他木材強度性質(zhì)不同，不是用破壞試樣的力來表示，而是用破壞試樣所消耗的功(kJ/m2)表示。沖擊破壞消耗的功愈大，木材韌性愈大，亦即脆性愈小。試驗所得數(shù)據(jù)不能用于木結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算，只能作為衡量木材品質(zhì)的參考。 木材沖擊韌性的測定，通常采用兩種方式，即一次沖擊試驗法和連續(xù)沖擊試驗法，我國國家標準規(guī)定采用一次沖擊試驗法。試樣尺寸為2020300mm，兩支座間距離跨度為240mm，中央荷載，只作弦向試驗，一次沖斷。擺錘質(zhì)量10kg，起始高度為1m，自由落下，試樣被沖擊折斷后，擺錘自由擺動到另一個高度，二次高度勢能之差，即為試樣折斷時所吸收的能量，可直接從力學試驗機上讀出。 試驗結(jié)果用下式計算：T＝1000Q/bh 式中：Q— 試樣吸收的能量(kJ/m2)；b—試樣的寬度(mm)；h—試樣的高度(mm) 4.1.1.8木材硬度和耐磨性 1.木材的硬度 概念：木材的硬度，是指木材抵抗其它剛體壓入的能力。木材的硬度與木材的密度密切相關(guān)，密度大其硬度則高，反之則低 測定法：采用半徑為5.64cm的鋼球，在靜荷載下壓入試樣深度5.64cm。試件：50mm50mm70mm木材端面硬度大于側(cè)面；大多數(shù)木材徑弦面硬度相近。 2.耐磨性 概念：指木材抵抗摩擦、擠壓、沖擊和剝蝕，以及這幾種因子綜合作用所產(chǎn)生的耐磨能力。與硬度有一定關(guān)系。用磨耗儀測定。 4.1.1.8抗劈力 概念：木材抵抗在尖楔作用下順紋劈開的力。分徑面和弦面。 抗劈力屬于工藝性質(zhì)，而且關(guān)系到其它的工藝性質(zhì)，如開榫性?？古Υ蟮哪静模湮蔗斄σ矎?。木材抗劈力象其它力學性質(zhì)一樣，受木材密度、木材構(gòu)造的影響。通常密度大的木材，其抗劈力也大，這種關(guān)系表現(xiàn)得非常密切，呈直線關(guān)系。在密度相同的條件下，由于細胞的組成不同，闊葉樹材的抗劈力大于針葉樹材的抗劈力。交錯紋理、木節(jié)可增大抗劈力。木材的含水率對抗劈力的影響不明顯。 木材徑面(A)與弦面(B)抗劈力的試樣形狀 4.1.1.9握釘力 木材的握釘力，是指木材抵抗釘子拔出的能力。木材具有固著釘子的性能，握釘力亦即木材與釘子之間的摩擦力。當握釘力的大小取決于木材的種類、含水率、密度、硬度、彈性、紋理方向、釘子的形狀及其與木材接觸面的大小等。例如水曲柳的徑面握釘力為2130N，而端面為1460N(圓釘ф＝3.Omm)。密度大的木材其握釘力也強，例如含水率15％時，紫椴的密度為0.49，其握釘力為420N，水曲柳的密度為0.69，其握釘力為1460N。 5.1木材力學性質(zhì)的影響因素 一.木材密度(密度對順拉強度影響不大） 二.含水率：木材強度和含水率有一定關(guān)系。 三.溫度 四.時間（持久強度概念） 五. 紋理方向 六.木材構(gòu)造: 1. 晚材率與年輪寬度; 2. 木射線; 3. 其它如胞壁厚度與纖絲角 等. 七. 木材缺陷 5.1.1木材密度的影響 木材密度是決定木材強度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)，是判斷木材強度的最佳指標。密度增大，木材強度和剛性增高；密度增大，木材的彈性模量呈線性增高；密度增大，木材韌性也成比例地增長。在通常的情況下，除去木材內(nèi)含物，如樹脂、樹膠等，密度大的木材，其強度高，木材強度與木材密度二者存在著下列指數(shù)關(guān)系方程。 σ＝Kρn 式中：σ——木材強度；ρ——木材密度；K和n——常數(shù)，隨強度的性質(zhì)而不同。 5.1.2含水率的影響 木材含水率對木材力學性質(zhì)的影響，主要是由于單位體積內(nèi)纖維素和木素分子的數(shù)目增多，分子間的結(jié)合力增強所致。含水率高于纖維飽和點，自由水含量增加，其強度值不再減小，基本保持恒定。經(jīng)過長期的研究證實，含水率在纖維飽和點以下，強度的對數(shù)值與含水率成一直線關(guān)系。 5.1.3溫度的影響 溫度對木材力學性能影響比較復雜。一般情況下，室溫范圍內(nèi)，影響較小，但在高溫和極端低溫情況下，影響較大。正溫度的變化，在導致木材含水率及其分布產(chǎn)生變化同時，會造成木材內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和干燥等缺陷。主要原因在于熱促使細胞壁物質(zhì)分子運動加劇，內(nèi)摩擦減少，微纖絲間松動增加，引起木材強度下降。如水熱處理情況下，溫度超過180℃，木材物質(zhì)會發(fā)生分解；或在83 ℃左右條件下，長期受熱，木材中抽提物、果膠、半纖維素等會部分或全部消失，從而引起木材強度損失，特別是沖擊韌性和拉伸強度會有較大的削弱。 5.1.4木材的長期荷載 荷載作用線方向與紋理方向的關(guān)系是影響木材強度的最顯著因素之一。拉伸強度和壓縮強度均為順紋方向最大，橫紋方向最小。 5.1.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響 荷載作用線方向與紋理方向的關(guān)系是影響木材強度的最顯著因素之一。拉伸強度和壓縮強度均為順紋方向最大，橫紋方向最小。 5.1.6缺陷的影響 有節(jié)子的木材一旦受到外力作用，節(jié)子及節(jié)子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，與同一比重的無節(jié)木材相比，表示出小的彈性模量。 1—卵圓形、2—長條形和3—掌狀節(jié) 1—活節(jié)和2—死節(jié) 6.1木材的允許應(yīng)力 木材各種強度值一般都是用無疵小試件在特定的條件下按規(guī)定的試驗標準測定的，與實際的使用情況有很大差別。因此在實際應(yīng)用中要考慮各種因素的影響。木材容許應(yīng)力是指木構(gòu)件在使用或荷載條件下，能長期安全地承受的最大應(yīng)力。對標準試驗方法所測得的強度值進行適當折扣，折扣率稱為折扣系數(shù)，折扣系數(shù)之倒數(shù)稱為安全系數(shù)。 6.1.1木材強度的變異 木材是生物材料，變異較大。因樹種、產(chǎn)地和木材在樹干中的部位不同，木材強度存在著變異。因此除了解木材的平均強度以外，還應(yīng)了解木材強度的變化異范圍，用變異系數(shù)(V)來表示。 6.1.2荷載的持久性 目前長期荷載對木材強度的影響，許多國家都采用小而無疵試樣強度的2/3(即0.67)作為長期荷載強度的數(shù)值；若為恒載，則用1/2。建筑結(jié)構(gòu)物大部均為恒載和活載的共同作用，故在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，引用的長期荷載強度折減系數(shù)K2＝0.67。 6.1.3木材缺陷對強度的影響 構(gòu)件的受力類型 節(jié)徑比 折減系數(shù)K3 順 紋 受 拉 順 紋 受 壓 抗 彎 順 紋 受 剪 1/3 1/2 2/5 － 0.38 0.67 0.52 0.80 6.1.4構(gòu)件干燥缺陷的影響 用來推算木材容許應(yīng)力的木材強度，是以木材含水率為12％為基準。木結(jié)構(gòu)工程中，因條件限制大部分使用濕村作構(gòu)件。當濕材在氣干過程中，一般都要發(fā)生開裂和撓曲，從而降低構(gòu)件的強度。因此也要考慮木材干燥產(chǎn)生缺陷的影響。 6.1.5荷載偏差的折減 荷載的超載、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的偏差以及構(gòu)件缺口處引起的應(yīng)力的集中（應(yīng)力集中主要考慮順紋拉伸），均可影響構(gòu)件的強度，對于這些因子，《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》均確定了折減系數(shù)。 6.1.6木材容許應(yīng)力應(yīng)考慮的因素 1）木材強度的變異K1=1-2.33V（變異系數(shù)） 2）荷載的持久性K2 3）木材缺陷對強度的影響K3 4）構(gòu)件干燥缺陷影響K4 5）應(yīng)力集中系數(shù)K5 6）超載系數(shù)K6 7）結(jié)構(gòu)偏差系數(shù)K7 各項因素對木材強度的影響系數(shù) 受力性質(zhì) K1 K2 K3 K4 K5 K6 抗 彎 0.67 0.52 0.80 — 1.20 1.10 順紋抗壓 0.67 0.67 1.00 — 1.20 1.10 順紋抗拉 0.67 0.38 0.85 0.90 1.20 1.10 順紋抗剪 0.67 0.80 0.75 — 1.20 1.10 [σ ]= σ12K1K2K3K4K5/（K6K7） K= σ12K1K2K3K4K5/（K6K7） 木結(jié)構(gòu)部件安全系數(shù)為折減系數(shù)之倒數(shù)，為強度平均值σ與容許應(yīng)力[σ]的比值，其計算公式為：A=1/K= σ /[σ ]在我國木結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)一般為3.5～6.0，比金屬等其它材料要高。 7.1常用木材物理力學性能 物理力學指標分級標準 表1物理力學指標分級標準 分級 基本密度/（g/cm3） 氣干密度/（g/cm3） 干縮度/%（生材—氣干） 順紋抗壓強度/MPa 抗彎強度/MPa 抗彎彈性模量/GPa 順紋抗剪強度/MPa 端面硬度/N 徑向 弦向 生材~全干 生材~氣干 生材~全干 生材~氣干 I ≤0.3 ≤0.35 ＜3.0 ＜2.0 ＜5.0 ＜3.0 ≤2.9 ≤54.0 ≤7.4 ≤6.5 ≤2500 II 0.31~0.45 0.351~0.55 3.0~4.0 2.0~2.5 5.0~6.5 3.0~4.0 29.1~44.0 54.1~88.0 7.5~10.3 6.6~9.5 2570~4000 III 0.46~.60 0.551~.75 4.0~5.0 2.5~3.0 6.5~8.0 4.0~5.0 44.1~59.0 88.1~118.0 10.4~13.2 9.6~12.0 4010~6500 IV 0.61~0.75 0.751~0.95 5.0~6.0 3.0~3.5 8.0~9.5 5.0~6.0 59.1~73.0 118.1~142.0 13.3~16.2 12.1~15.0 6510~10000 V ≥0.75 ≥0.95 ＞6.0 ＞3.5 ＞9.5 ＞6.0 ＞73.0 ≥142.0 ≥16.3 ≥15.1 ＞10000 表2國內(nèi)常見樹種物理力學性能 樹種 試驗時含水率/% 氣干密度/（g/cm3） 干縮率/%（生材—氣干） 順紋抗壓強度/MPa 抗彎強度/MPa 抗彎彈性模量/GPa 順紋抗剪強度/MPa 端面硬度/N 徑向 弦向 福建柏 15.0 II I II II II II II III 銀杏 15.0 II II II II II III III III 冷杉 15.0 I III IV II III II II 杉松冷杉 15.0 II II II II II II I I 云南油松 15.0 II,III II III,IV II,III II,III III II II 落葉松 15.0 III,IV V III III IV II III 四川紅杉 15.0 II III IV II II III II II 云杉 15.0 I,II II III I,II I,II I,II I I 濕地松 15.0 III III III II II III I II 紅松 15.0 II II III II II III II I 廣東 15.0 II II III II III III II II 廣東松 15.0 II II III II III III II II 馬尾松 15.0 II,III II,III IV II III II II II,III 樟子松 15.0 III II III III I III II 云南松 15.0 III IV IV II,III II,III II II,III 鐵杉 15.0 II II III II II,III III II II 陸均松 15.0 III III III III III III IV III 雞毛松 15.0 II II III II II III IV III 杉木 15.0 II II III II II III II 消極和 15.0 I I II I I II I I 槭木 15.0 III,IV III III,IV III,IV IV,V 刺楸 15.0 II,III I,II II,III II,III II,III 江南榿木 15.0 II II II II III 光皮樺 15.0 III II,III III,IV III,IV III,IV 白樺 15.0 III II,III II,III II,III II,III 秋楓 15.0 III II,III II,III II,III IV 青岡 15.0 IV III,IV IV V IV,V 水青岡 15.0 IV III III IV III 麻櫟 15.0 IV III,IV III,IV III~V IV 白櫟 15.0 IV III III,IV IV V 柞木 15.0 III,IV II,III III,IV III,IV IV 楓香 15.0 III II,III II.III II,III III 山核桃 15.0 III,IV III III,IV III~IV IV 核桃 15.0 II,III II,III II,III II III 楓楊 15.0 II II II II 香樟 15.0 II，III II II II II 鐵刀 15.0 III III III III IV 黃檀 15.0 IV IV IV,V IV,V V 槐樹 15.0 III,IV II,III II,III II,III III,IV 鵝掌楸 15.0 II,III II II III III 苦楝 15.0 II,III II II,III II II,III 水曲柳 15.0 III III III III,IV III 小葉楊 15.0 II I,II I,II I,II II 山楊 15.0 II I,II I,II III I,II 擬赤楊 15.0 II I,II II II II 荷木 15.0 III III III III III 15.0 V IV,V V V V 紫椴 15.0 II II I,II I,II I 青檀 15.0 IV IV IV III IV 白榆 15.0 III II II II,III III 櫸樹 15.0 IV III IV III IV 印尼漆 15.0 II I I(II) II I II II I 人面子 15.0 III I II II II,III III III,IV II,III 芒果 15.0 I I II,III II,III III,IV III,IV IV 竹桃 15.0 II I I I I II I I 榴蓮 15.0 III III III II,III II,III II,III I~IV III 異翅香 15.0 III II II II,III II,III II II,III III 杯裂香 15.0 IV,V III,IV IV V II,IV IV 雙翅龍腦香 15.0 III,IV III,V III,V III,IV III IV,V I,III III,IV 龍腦香 15.0 IV III II IV IV V III,V IV 低垂坡壘 15.0 V II II,III III,IV III V IV,V 漸尖葉坡壘 15.0 III,IV III,IV III,IV III~V IV 深紅婆羅雙 15.0 II,III II I II,III II,III III II III 淺紅婆羅雙 15.0 II II III II II II I,II II 黃婆羅雙 15.0 II II II III II II II,III II 白婆羅雙 15.0 II,III II II II,III II II,IV II,III III 平滑婆羅雙 15.0 V II II V V V V V 吉索婆羅雙 15.0 IV III IV V V V IV 青梅 15.0 IV II II,III IV IV V IV 石櫟 15.0 IV III III IV V IV 海棠木 15.0 III V IV II,III III II,III IV IV 鐵力木 15.0 V V V V V V 坤甸鐵木 15.0 V IV IV,V V III,V IV 濕地木姜子 15.0 IV IV IV IV IV IV I,II I 鐵刀木 15.0 III,IV III III,IV III IV 黑黃檀 15.0 IV,V IV IV,V III V 寬葉黃檀 15.0 IV III IV IV IV III IV 花黃檀 15.0 V V V 格木 15.0 IV,V V IV,V 伯利印茄 15.0 IV I I III III IV IV 大甘巴豆 15.0 IV II I IV IV V V IV 馬來甘巴豆 15.0 IV II II IV IV V IV IV 印度紫檀 15.0 III II I III III IV III 大花米仔蘭 15.0 III IV IV III II,III IV II 肉豆蔻 15.0 II,III II II II II II III III 羽葉番龍眼 15.0 III IV III III IV IV 子京木 15.0 V III I V V V V V 硬椴 15.0 III,IV III II III,IV III,IV III~V III~V III,V 柚木 15.0 II,III II II II,III III III III III 南美蟻木 15.0 V V IV V V V 輕木 15.0 I I III I I I 巴西黑檀 15.0 IV IV IV III 奧克欖 15.0 II III II II V II 烏木 15.0 V V V V IV V 緬茄木 15.0 IV I I V IV IV IV 雙雄蘇木 15.0 IV IV III IV 非洲紫檀 15.0 III III III IV II III III 簡狀非洲楝 15.0 III III III III V III III 紅卡雅楝 15.0 II II II II IV II II 非洲毒箭木 15.0 II II III III III I I 毒籽山欖 15.0 IV IV III V II IV 猴子果 15.0 III III IV III III III III 歐洲水青岡 15.0 III V V III II II V 鉛筆柏 II II I II II I II 美國西部落葉松 II V V III II III II 白云杉 II II III II III II II 糖松 II I II II II II II 西部黃松 II II II II II II II 北美黃杉 II III III III III III II 加拿大鐵杉 II II III II II II II 北美紅杉 II I I III II II II 紅花槭 II II II III III III IV III 美洲栗 III II III III III III III III 美國水青岡 III IV V III III III IV 白櫟 IV IV V III III III IV 北美紅櫟 III II III III III III IV IV 膠皮楓香樹 IV V III