轻型木结构房屋用杉木规格材机械应力分等研究

轻型木结构房屋用杉木规格材机械应力分等研究
任海青;郭伟;费本华;王朝晖;骆秀琴
【摘要】通过测试足尺试件的拉、压、弯力学性能,研究了机械应力分级等级边界条件设置及等级特征值.结果表明:划分MOE区间后建立的强度平均值与弹性模量平均值的回归关系决定系数明显提高,可用于建立强度关系,该关系对机械应力分级的实现具有重要的指导意义;按照GB 50005-2003<木结构设计规范>及
EN338:2008(E)<结构材强度等级>的规定,在不考虑密度、满足各等级对抗拉及抗压强度特征值要求的情况下,可以将杉木规格材划分为M10,M18,M26这3个等级.【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2010(013)003
【总页数】4页(P363-366)
【关键词】足尺试件;规格材;机械应力分级;边界条件;特征值
【作者】任海青;郭伟;费本华;王朝晖;骆秀琴
【作者单位】中国林业科学院木材工业研究所,北京,100091;国家林业局,北京林业机械研究所,北京,100029;国家林业局,北京林业机械研究所,北京,100029;中国林业科学院木材工业研究所,北京,100091;中国林业科学院木材工业研究所,北
京,100091
【正文语种】中文
【中图分类】TU531.1
轻型木结构房屋主要采用横截面名义尺寸为2″×4″(即实际尺寸为38 mm×89 mm)的规格材建造而成，是流行于北美的住宅建筑方法，俗称2×4结构.该结构具有保温、隔热、建造能耗低、排放等效二氧化碳最少、水污染指数最低及生态资源耗用指数最低等许多突出优点.
杉木生长迅速，材质优良，是中国主要的用材树种和很好的建筑材料.将我国的杉
木制成规格材，有利于加快木结构房屋的国产化进程，提高人们的居住水平.目前，国内学者已对规格材的分等原理、方法以及机械分等测试方法进行了全面的研究[1-3].在此基础上，本文通过对大尺寸杉木规格材力学性能的测试与研究，系统评
价人工林杉木机械分等方法、特征值及其机械应力等级，以期为国产规格材替代进口SPF(云杉-松-冷杉)规格材用于轻型木结构房屋的建造及轻型木结构房屋用国产
新材料的开发提供技术支持.
1 试验材料及设备
人工林杉木主要分布在我国南方17省，北至秦岭，南至广东，东到浙江、台湾，西到云南、四川，约为921万公顷.出于试材的代表性考虑，本研究分别从安徽黄
山林场、湖南雪峰山林场、四川洪雅县林场和福建将乐县光明国有林场选取树龄在20～40 a，平均胸径为25 cm的人工林杉木132根.依据GB 50005—2003《木
结构设计规范》将杉木原木锯解成45 mm×90 mm×2 500 mm的规格材，并将
其含水率调控到15%(质量分数).
测试人工林杉木规格材弹性模量(MOE)、弯曲强度(MOR)、拉伸强度(UTS)及短轴抗压强度(UCS)采用的足尺试样尺寸与实际使用的木构件尺寸相当，试验设备为
50 t结构材力学实验机、Model 412足尺拉伸力学实验机和100 t液压万能力学
实验机.
2 试验方法
依据GB 50329—2002《木结构实验方法标准》进行足尺人工林杉木规格材的MOE测试，窄面加载，四点弯曲，跨高比为18，最大目测降等缺陷与受拉面随
机置于全跨度内，重复测量3次.足尺杉木规格材的MOR测试方法与MOE相同，加载至试样破坏，记录最大载荷.足尺杉木规格材UTS采用Model412足尺拉伸力学试验机，依据ASTM D198《结构材力学静态测试方法标准》进行测试，杉木规格材短轴UCS也采用该标准进行测试，均加载至试件破坏，记录最大载荷.
3 结果与讨论
3.1 人工林杉木规格材的强度
不同产地人工林杉木规格材的MOE，MOR，UTS，UCS测试结果均服从正态分布，单因素方差分析表明产地对各测试结果影响不显著，因此本文将不同产地的同种人工林杉木规格材力学指标测试结果归到一起进行分析.足尺人工林杉木规格材
试样的力学性能测试结果见表1.
本文通过分析各强度指标与MOE的关系，建立了拉、压、弯这3个强度指标间的关系.图1为人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS分别与MOE的相关性分析.结
果表明:MOR=5.898 MOE-13.59，R2=0.451;UTS=3.259MOE-6.334，R2
=0.323;UCS=1.774MOE+12.27，R2=0.379.虽然MOR与MOE的决定系数大
于UTS，UCS与MOE的决定系数，但小于无疵小试样MOR与MOE的相关系
数0.84，究其原因是由于足尺试样含有的节子影响了木材强度所致.
表1 足尺人工林杉木规格材力学性能测试结果Table 1 Mechanical properties
of Chinese fir tested in full sizeIndex MOE (GPa) MOR (MPa) U TS (M Pa) UCS (MPa) ρ/ (g◦cm-3) Mean value 10.65 48.24 28.48 31.74 0.39 Standard deviation 1.53 14.00 7.98 4.69 0.04 Min value 6.07 17.39 10.35 20.13 0.28 M ax value 16.95 88.52 59.07 50.66 0.53 Coefficient of variation/% 14.39 29.01 28.00 14.77 10.71
图1 3种力学强度与MOE的关系Fig.1 Relationship between strengths and MOE
人工林杉木规格材MOE分布不均匀，不同MOE区间内各强度的数量差别很大，为了避免个别值对人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS与MOE关系的影响，考虑到MOE的分布情况，将MOE从小到大平均划分为12个区间，以MOE′作为该区间的MOE，分别计算MOR′，UTS′，UCS′的平均值，分析MOR′，UTS′，UCS′与MOE′的相互关系，结果见图2.
由图2可见，MOR′，UTS′，UCS′与MOE′的回归关系和MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE的回归关系相似，分别为MOR′=5.228MOE′-8.043，
R2=0.904;UTS′=3.358MOE′-6.722，R2=0. 796;UCS′=1.385MOE′+15.34，
R2=0.854.它们的决定系数明显提高.因此，对足尺人工林杉木规格材试样而言，采用划分MOE区间求各强度平均值建立的回归关系其相关性更高，在此基础上建立的强度关系更可靠.MOR，UTS，UCS这3种强度关系分析结果见图3.
图2 3种力学强度平均值与MOE的关系Fig.2 Relationship between strength mean values and MOE
图3 MOR′，U TS′，UCS′两两回归关系Fig.3 Regressions between each two indicators of MOR′，UTS′，UCS′
在图3中MOR′，UTS′，UCS′两两决定系数均较高，分别为0.699，0.892，0.446，各回归方程分别为:UTS′=0.433MOR′+7.251，
R2=0.699;UCS′=0.284MOR′+17.24，R2=0.892;UCS′=0.255 UTS′+23.41，
R2=0.446.
3.2 人工林杉木规格材机械应力分等等级设定及其强度特征值
特征强度是划分规格材等级的重要指标，是将测试结果转换成设计值应用到实际生产的一个关键环节.通常规格材机械应力分等是通过抗弯试验得到木材的MOE，
MOR，再建立木材MOE，MOR与其他各种性能指标的关系，然后采用MOE的平均值和MOE，MOR的5%分位值(MOE5%，MOR5%)设定特征强度等级[2]. 《木结构设计规范》(2005)列出了我国与其他国家机械分等等级的对应关系，给
出了各等级强度设计值及MOE值，与之配套的《木结构设计手册》则提供了我国及其他国家顺纹抗拉特征强度与抗弯特征强度、顺纹抗压特征强度与抗弯特征强度的关系，但目前尚未发布机械分等各等级的强度特征值.比较欧洲、北美与中国机
械分等标准可以发现，中国标准与欧洲标准在针叶材规格材机械应力等级名称及其特征值的设定方面比较接近，对MOE平均值及MOR5%的规定基本一致[4-5].
由于国家标准尚未对各机械应力等级规格材的密度平均值及特征值进行规定，因此，本文在划分人工林杉木规格材的机械应力等级时参照欧洲标准来考虑密度及
MOR5%，分等结果见表2.
表2 依据MOE划分的机械应力等级及相关特征值Table 2 Strength classes-characteristic values of Chinese fir in terms of MOEStrength class Data quantity MOE mean value/ GPa MOR mean value/ MPa MOR5%/ M Pa ρ mean value/ (g◦c m-3) ρ5%/ (g◦cm-3) M10 36 8.01 33.32 17.39 0.37 0.28
M14 8 8.84 39.01 25.53 0.395 0.33 M18 104 9.60 41.49 23.9 0.37 0.31 M26 118 11.00 52.93 28.96 0.40 0.34 M30 52 13.31 62.83 31.33 0.42 0.35
按照欧洲标准对各等级ρ5%的要求，如果采用密度平均值作为划分人工林杉木规
格材机械应力等级的依据，由于我国人工林杉木规格材的气干密度较低(平均为
0.39 g/cm3)且测试样本数小于1 000个，无法采用非参数统计方法得到满足要求的ρ5%分位值，因此无法以密度作为划分等级的指标将人工林杉木划分成机械应
力分级材.如果不考虑密度因素，根据国家标准按照MOE平均值划分机械应力等级，可以将人工林杉木规格材划分为M10，M14，M18，M26，M30这5个等级.
本研究采用欧洲标准对已划分的等级UTS及UCS特征值进行验证，结果见表3.分析表明:若要达到欧洲标准对各机械应力等级UTS，UCS特征值的要求，只能将人工林杉木规格材划分成M10，M18，M26这3个等级，结果符合人工林杉木力
学性能较落叶松差的规律.
由表3可见，除M10等级的UTS特征值较大外，其他各力学指标特征值从M10到M26均呈现逐渐增大的趋势，符合机械应力分级将规格材力学性能从低到高划分的要求，其中 M10等级的UTS5%较大与测试样本数较少(7个)有关，是特征值受个别值影响较大所致，如果增加测试样本数，UTS特征值也会和其他力学性能
指标一样符合从低等级到高等级逐渐增大的规律.因此，机械应力分级方法可将人
工林杉木规格材划分为M10，M18，M26这3个等级.鉴于M10等级的 UTS5%较为异常，因此3个机械应力等级的UCS5%，MOR5%的相互关系更有实际意义，两者的相互关系为:UCS5%= 0.343MOR5%+15.39，R2=0.984，与《木结构设
计手册》中提供的关系式UCS5%=0.375MOR5%+ 11.25较为接近.对人工林杉
木规格材的机械应力分级而言，可以通过UCS5%=0.343MOR5%+ 15.39进行UCS5%，MOR5%互算.
表3 人工林杉木规格材机械应力等级特征值Table 3 Strength classes-characteristic values of Chinese fir in terms of UTS，UCS and its final resultNote:*stands for the characteristic values of combined grades，M 14 and M18，M 26 and M 30.Strength Characteristic value Class M10M14M18 M26M30 MOE mean value/GPa8.02 — 9.61 11.71 —UTS U TS5%/MPa
15.03 — 13.12 18.37 —Data quantity 7 — 62 83 —MOE mean
value/GPa8.02 — 9.60 11.64 —UCS UCS5%/M Pa 21.50 — 23.16 26.54 —Data quantity 10 — 38 112 —MOE mean value/GPa8.01 — 9.60 11.70 —MOR* MOR5%/MPa 17.39 — 23.90 32.21 —Data quantity 36 — 121 158 —
4 结论
1.人工林杉木规格材的MOE，MOR，UTS，UCS测试值均服从正态分布，产地对测试结果的影响不明显.MOE平均值为10.65 GPa，平均密度为0.39 g/cm3.
2.人工林杉木规格材MOR与MOE的决定系数(0.451)大于UTS，UCS与MOE 的决定系数，相关性较强，但小于无疵小试件MOR与MOE的相关系数0.84;划分MOE区间建立的各强度平均值与MOE平均值间的回归关系和未划分区间建立的回归关系相似，决定系数明显提高，建立的强度关系对机械应力分级具有实现意义，强度关系分别为:
UTS′=0.433MOR′+7.251;UCS′=0.284MOR′+17.24;UCS′=0.255UTS′+23.41，决定系数分别为0.699，0.892，0.446.
3.以抗弯强度试样的MOE平均值作为等级划分指标，在不考虑密度、满足各等级对抗拉及抗压强度特征值要求的情况下，可以将人工林杉木规格材划分为M10，M18，M26这3个等级.
4.人工林杉木规格材机械应力分级可以通过UCS5%=0.343MOR5%+1
5.39进行UCS5%，MOR5%互算.
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