SPF規格材靜、動態彈性模量研究

王志強，羅 冬，董 涵，孫麗明，魏 鵬

（1. 南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2. 徐州盛和木業有限公司，江蘇 徐州 221321）

SPF規格材靜、動態彈性模量研究

王志強1，羅 冬1，董 涵1，孫麗明1，魏 鵬2

（1. 南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2. 徐州盛和木業有限公司，江蘇 徐州 221321）

采用無損橫向振動法和三點靜態彎曲法，對加拿大進口的云杉-松-冷杉（Spruce-Pine-Fir, SPF）J等級規格材的動、靜態彈性模量進行測試和評價。結果表明，SPF規格材有明顯的兩個峰值，其一階頻率峰值平均為44.78 Hz，二階頻率峰值平均122.61 Hz；兩種方法測得的SPF彈性模量服從正態分布，近1/3的規格材彈性模量值在10 000～11 000 MPa；動、靜態彈性模量平均值分別為10 983 MPa和10 523 MPa，SPF規格材動態彈性模量比靜態彈性模量高4.38%，動、靜態彈性模量值之間具有非常強的相關性（R2=0.91）。

無損檢測技術；橫向振動；三點靜態彎曲；規格材；彈性模量

2000年以來，現代木結構建筑，如輕型木結構建筑在國內得到了快速發展[1]，這種輕型木結構是用規格材及木基結構板或石膏板制作的木構架墻體、樓板和屋蓋系統構成的單層或多層建筑結構[2]。目前從北美地區，如加拿大進口的規格材，云杉-松木-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）是這種輕型木結構的墻體、樓蓋和屋蓋的主要用規格材。國內外對規格材分等有不同的方法和標準，木結構設計規范（GB 50005-2003）中已經建立了國內目測規格材等級與北美地區目測規格材等級的對應關系[2～3]。由于較好的強重比、顏色、紋理和加工性，SPF規格材在國內使用范圍逐漸擴大，從最初的建筑及結構工程方面應用，拓寬到非結構應用，如室內外裝飾材料、家具材料等。國內SPF規格材用量和產品等級也都在增加，市場上出現了新的、高等級的SPF規格材，如J級（Japan grade）規格材。J 級規格材是專門供日本市場的產品，J級與北美優選級（prime/selected）的區別是不允許籃變，且外觀等級更高，這種J級分等目前不包括在北美地區和中國規范分等等級中。國外，尤其是北美地區在規格材分等技術方面的研究和實際生產檢測方面已比較成熟[4]，國內近幾年在規格材分等技術研究方面也做了較多的研究[5～9]，相關國家標準也出臺實施[10～11]。本文主要針對目前國內規范中未提及、而市場已出現的J級規格材為對象，采用無損檢測方法評價其動、靜態彈性模量，為SPF規格材在國內應用提供基本數據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

規格材，加拿大進口SPF，已刨光、干燥，含水率11%～13%，J等級，橫截面名義尺寸2”×4”，實際尺寸為寬度89 mm、厚度38 mm、長度2.0 m，數量100根，購自南京北美木屋有限公司。

1.2 方法

采用兩種無損檢測方法，橫向振動法和三點靜態彎曲方法，分別測試和評價100根SPF規格材的動、靜態彈性模量（MOE）。

橫向振動法測試參考橫向振動法測試木質材料動態彎曲彈性模量方法（GB/T 29895-2013）進行[10]，測試系統如圖1。測試過程中，先兩次測量每根SPF規格材試件長度、寬度和厚度，記錄其平均值。測量每根SPF試件的質量，用于計算試件密度。然后，將試件水平擺放，在試件全長22.4%和77.6%的兩個位置采用橡皮筋自由懸掛試件。在試件一端采用脈沖錘在垂直于試件長度方向上敲擊、激振，固定在試件另一端表面的加速度傳感器拾取試件橫向振動響應，加速度傳感器和脈沖錘產生的電荷信號通過電荷放大器放大后進入SCXI-1200型數據采集模塊，采集到的數字信號由計算機進行頻域分析，計算得到試件的固有頻率值。每個試件橫向振動法測試3次，得到平均的固有頻率值。

圖1 橫向振動法測量SPF彈性模量測試系統Figure 1 System for MOE testing by transverse vibration of SPF

試件的動態MOE由下式計算得到。

式中，ρ 為試件密度（kg/m3），l 為試件總長度（m），d 為試件高度（m），f1為試件的第一階自然頻率[5]。

參考結構用鋸材靜態測試標準ASTM D 198-09（Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes）[12]對SPF規格材試件進行三點靜態彎曲方法測試規格材MOE。測試時，試件跨度設置為1 955 mm，在試件跨度中點兩次放置不同重量的金屬塊作為荷載，兩次荷載差值為65.64 N，采用百分表記錄加載時試件跨中產生的撓度。每個試件重復測試3次，根據下式計算SPF規格材試件靜態MOE。

式中，f為試件跨度（mm），b為試件寬度（mm），h為試件厚度（mm），Δf為兩次加載變化值（N），Δs為兩次加載跨中撓度變化值（mm）。

2 結果與分析

2.1 SPF 規格材動、靜態彈性模量

按照圖1的測試原理對100根SPF進行橫向振動法測試，得到SPF試件的一階和二階固有頻率，其典型的SPF試件固有頻率圖譜如圖2所示。圖2中橫坐標表示頻率（Hz），縱坐標表示振幅（EU）。在本實驗條件下，SPF規格材有明顯的兩個峰值，100根規格材中一階頻率峰值最小值38 Hz，最大值49.5 Hz，平均值44.78 Hz；二階頻率峰值最小值97.44 Hz，最大值136.25 Hz，平均值122.61 Hz。此外，SPF規格材的固有頻率變異系數較小，一階頻率和二階頻率的變異系數分別為5.97%和5.68%。

圖2 典型的SPF試件測量頻譜Figure 2 Typical spectrum for SPF

將每根SPF試件測得的一階頻率值代入公式（1）中，計算SPF規格材的動態MOE值。同時，根據公式（2）計算SPF規格材的靜態MOE值。得到100根SPF規格材的動態MOE值范圍為7 291～15 116 MPa，而靜態MOE值范圍為7 142～14 792 MPa，兩種方法測試的MOE正態分布如圖3。

從圖3中可以看出，MOE值在10 000～11 000 MPa 區間的SPF規格材數量最多，約占整個數量的1/3。

圖3 SPF規格材彈性模量正態分布Figure 3 Normal distribution of MOE of SPF dimension lumber

2.2 動、靜態彈性模量相關性分析

兩種無損檢測方法測試的100根SPF規格材MOE值的統計分析情況如表1。在100根規格材中，89根規格材的動態MOE值大于靜態MOE值，而且動態MOE值的最大值、最小值、平均值都大于靜態MOE值，利用橫向振動方法測試的動態MOE平均值比相應的三點靜態彎曲測試的靜態MOE值高 4.38%，這與其他研究結果類似[6,13]。

表1 SPF規格材MOE值測試結果Table 1 MOE values of SPF dimension lumber

對兩種無損檢測方法測得的動、靜態MOE值進行回歸分析，結果表明二者具有非常強的相關性，其決定系數（R2）為0.91，在0.01水平上顯著相關，其線性擬合回歸方程式為，如圖5。

圖5 靜態彈性模量與動態彈性模量擬合Figure 5 Fitting of static and dynam ic MOEs

3 結論

通過對100根J等級SPF規格材進行橫向振動法和三點加載彎曲方法測試分析其動、靜態彈性模量，得到如下結果：

（1）長度為2 m的2”×4”SPF規格材的平均一階、二階頻率峰值為44.78 Hz和122.61 Hz。

（2）J等級SPF規格材的彈性模量服從正態分布，近1/3數量的規格材彈性模量值在10 000～11 000 MPa。

（3）橫向振動法和三點靜態彎曲方法分別測得的J等級SPF規格材動、靜態彈性模量平均值為10 983 MPa 和10 523 MPa，SPF規格材動態彈性模量比靜態彈性模量高4.38%，動、靜態彈性模量值之間具有非常強的相關性（R2=0.91）。

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Static and Dynam ic Modulus of Elasticity of Dimension Lumbers

WANG Zhi-qiang1，LUO Dong1，DONG Han1，SUN Li-m ing1，WEI Peng2
（1. College of Material Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Xuzhou Shenghe Wood Company Limited, Xuzhou 221321, China）

Determinations were implemented by non-destructive evaluation （NDE） methods, like transverse vibration （TV） and three-point static bending （TSB） on static and dynam ic modulus of elasticity （MOE） of dimension lumbers of Spruce-Pine-Fir （SPF） of grade J imported form Canada. The results showed the MOE of SPF dimension lumber was normal distribution and one third of them had the MOE in the range from 10000MPa to 11000MPa. Mean dynamic and static MOE measured by TV and TSB was 10983MPa and 10523MPa. It had strong correlation between dynamic MOE and static MOE（R2=0.91）.

non-destructive evaluation（NDE）; transverse vibration（TV）; three-point static bending （TSB）; dimension lumber; modulus of elasticity（MOE）

S781.2

：A

1001-3776（2016）02-0058-04

2015-09-03；

：2016-01-23

2013年江蘇省研究生工作站、2014年江蘇省前瞻性聯合研究項目----中高層木結構建筑承重木構件及體系研發（BY2014006-05）

王志強（1978－），男，博士，副教授，從事新型工程木產品與木結構建筑研究。