含裂纹木梁的弯曲性能

论文学科类别220含裂纹木梁的弯曲性能王丽宇 鹿振友（北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083）摘要 木材的抗弯弹性模量和抗弯强度是木材的主要力学性质。

本文对木梁无疵小试样和含裂纹试样的抗弯弹性模量和抗弯强度分别做对比实验，分析含裂纹木梁的弯曲特点及裂纹对弯曲性能的影响。

研究结果表明，切向裂纹对LT 木梁弹性模量影响不大，因此可忽略不计，但切向裂纹的尺寸要有限制，即保证在线弹性范围内，裂纹体是稳定的且裂纹没有扩展，在进行弹性模量测试的最高载荷作用下，不改变梁的弯曲形态。

裂纹的存在会降低木梁的抗弯强度，裂纹扩展时的载荷远远小于木材断裂时的载荷。

所以对于含裂纹的木梁来说，其承载能力的分析应同时考虑裂纹的稳定性，应该用断裂力学理论进一步分析和研究其安全性、设计和预测其承载能力。

关键词 木梁，裂纹，弯曲性能4、（英文）题名、作者姓名及所在单位、摘要、关键词：Wang Liyu ；Lu Zhenyou. Bending performance of wooden beam with crack. College of Material Science and Technology ，Beijing Forestry University ，100083，P.R.China.Bending strength and modulus are main mechanics characteristic ，properties and stress indexes for wood. This paper carried on the contrast experiments about bending elastic modulus and bending strength for wooden beam containing no fault （crack ）small specimens and crack specimens respectively, analyzed the bending characteristic of wooden beam with crack and crack effect on bending performance. The experiments showed that the influence of tangential crack on LT wooden beam elastic modulus was not big and could be neglected. But the tangential crack size must have the limit, namely in linear elastic scope the crack body was guaranteed stable ，crack did not propagate, and bending shape of wooden beam did not change under the highest load. The crack existence would reduce wooden beam bending strength because crack expansion load was far smaller than fracture load. Therefore for wooden beam containing crack ，its load-bearing capacity analysis should simultaneously consider the crack stability, should further analyze and study its security, design and forecast load-bearing capacity by fracture mechanics theory.Key words wooden beam, crack, bending performance5、[正文]：木材的抗弯弹性模量和抗弯强度是木材的主要力学性质。

木材的抗弯弹性模量代表木材的劲度或弹性，乃是木材产生一个一致的正应变所需要的正应力，亦即梁在比例极限内，抵抗弯曲变形的能力。

木材的弹性模量越大，越刚硬；反之，则比较柔曲。

木材抗弯强度亦称静曲极限强度，为木材承受横向载荷的能力。

它主要用作建筑物的屋架和地板等易于弯曲的构件及木桥的梁和桁条的设计。

静力载荷下，木材抗弯的特性主要决定于顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度之间的差异，这是因为木材承受静力弯曲载荷后常常因压缩而破坏，并因拉伸而产生明显的损伤。

顺纹抗压比例极限时的应力控制着木材的比例极限，而不是顺纹抗拉比例极限时的应力[1-4]。

目前木材的抗弯弹性模量和抗弯强度是按照国标“木材物理力学性质测试方法（GB1936）进行测试。

测试试样国标中有严格的规定，简单说是无疵小试样。

试验_______________________________________________________________________________结果是按材料力学的有关理论公式计算的，这都是建立在连续均匀理想弹性体基础上的，在一般情况下都是可行的、有效的。

然而，木材是非均质各向异性材料，并且由于天然缺陷产生疤节、孔裂，机械加工和木材干燥过程中产生的裂纹等情况。

用无疵小试样的试验结果和数据来预测分析工程木质材料的强度等，在某些情况下会带来一些影响。

为此，本文对无疵小试样和含裂纹试样的抗弯弹性模量和抗弯强度进行对比实验，进一步分析含裂纹木梁的弯曲特点及对其弯曲性能的影响。

1 试样制备本试验中试材选用白桦（Betula platyphylla Suk.）。

试样选用LT 试样（工程中常见木梁形式），其锯解及截取，按GB1929—91规定。

试样被分成两组，第一组试样没有裂纹（无疵试样），尺寸为300（L 长）mm ×20（R 宽）mm ×20（T 高）mm ；第二组为有裂纹试样，尺寸为300（L 长）mm ×20（R 宽）mm ×30（T 高）mm ，在试样中央沿弦向割制10mm 深的边缘裂纹，保证试样在开裂纹处的净截面仍为20mm ×20mm 。

ab图1 试样尺寸a.无裂纹试样b. 有裂纹试样 Fig.1 Specimen geometry figurea. specimen with no crackb. specimen with crack2 试验方法按照国家标准GB1936.1—91《木材抗弯强度试验方法》的规定进行，跨度为240mm 。

试验装置采用INSTRON 4301万能力学试验机，加载速度为2.0mm/min 。

实验室温度为17.5℃，相对湿度为55%。

测试抗弯弹性模量采用纯弯曲（三分点载荷法），弦向加载；测试抗弯强度采用横力弯曲（三点弯曲）。

按国标规定，其计算公式分别为：抗弯弹性模量：33108fbh 23pl E =（1）式中：E ——弹性模量，Mpa ；P ——上下限载荷之差，N ；l ——两支座间跨距，mm ；b ——试样宽度，mm ；h ——试样高度，mm ；f ——上下限载荷间的试样变形值，mm 。

抗弯强度：232bh pl=σ（2）式中：σ——抗弯强度，Mpa ；P ——破坏荷载，N ；l ——两支座间跨距，mm ；b ——试样宽度，mm ；h ——试样高度，mm 。

3 试验结果与讨论3.1 裂纹对木梁抗弯弹性模量的影响白桦试样弹性模量的测试结果见表1。

表中分无裂纹试样和有裂纹试样两个组，其中有裂纹试样这一组由I.和II.两种计算方法求得，I.抗弯弹性模量的测试结果是按照试样截面实际尺寸20（b 宽）×30（h 高），由公式（1）计算得出；II.抗弯弹性模量的测试结果是按照试样净截面尺寸20（b 宽）×20（h 高），由公式（1）计算得出。

表1中含裂纹试样的第I 组数据未考虑裂纹存在的影响，第II 组数据是考虑裂纹存在对其截面的削弱。

无裂纹试样（无疵试样）和有裂纹试样（包括I.和II.两组）的抗弯弹性模量变异系数均小于10%，说明白桦试样抗弯弹性模量的测试结果比较稳定。

白桦有裂纹试样的I.组抗弯弹性模量8013 Mpa 虽小于无裂纹试样的抗弯弹性模量8715 Mpa ，但差值不大，数值较为接近，其差别大致在试验数据的变异范围内。

II.组的抗弯弹性模量28932Mpa 远大于I.组试样的抗弯弹性模量8013 Mpa ，也大于无裂纹试样的抗弯弹性模量8715 Mpa 。

这说明对于LT 木梁来说，切向裂纹对其弹性模量的影响可以不考虑，当然切向裂纹的尺寸要有限制，即要保证在线弹性范围内，裂纹是稳定的且没有扩展，不改变梁的弯曲形态。

在进行弹性模量测试的最高载荷作用下，弹性模量是木材整体抵抗弯曲能力的表征，局部截面的削弱（裂纹）在上述条件下，可以认为对其抗弯弹性模量影响较少，可以不予考虑。

表1 白桦试样弹性模量的测试结果Table 1 Testing results about elasticity modulus for specimens of Betula platyphylla Suk.有裂纹试样无裂纹试样 I.(h =30mm) II.（h=20mm ）试样个数 30 30 30 平均值 /Mpa 8715 8013 28932标准差 820.60 800.91 901.55 变异系数 /% 9.419.99 3.113.2 裂纹对木梁抗弯强度的影响白桦试样抗弯强度的测试结果分别见表2。

表中分无裂纹试样和有裂纹试样两个组，其中有裂纹试样这一组的抗弯强度由I.和II.两种计算方法求得，I.抗弯强度的测试结果是按照试样截面实际尺寸20（b宽）×30（h高），由公式（2）计算得出；II.抗弯强度的测试结果是除去裂纹部分按照试样净截面尺寸20（b宽）×20（h高），由公式（2）计算得出。

表2 白桦试样抗弯强度的测试结果Table 2 Testing results about bending strength for specimens of Betula platyphylla Suk.有裂纹试样无裂纹试样I.(h =30mm) II.（h=20mm）试样个数30 30 30 平均值 /MPa 112.32 26.19 60.03标准差 10.64 2.14 5.16 变异系数/%9.47 8.19 8.59从表2可以看出，白桦无裂纹试样和有裂纹试样（包括I.和II.两组）的抗弯强度变异系数均小于10%，说明白桦试样抗弯强度的测试结果比较稳定。