基于古建木構文物修繕的木材抗彎性能實驗研究

于金財，陳金永，師希望，牛慶芳，萬 佳，李鐵英

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西太原 030024)

基于古建木構文物修繕的木材抗彎性能實驗研究

于金財，陳金永，師希望，牛慶芳，萬 佳，李鐵英

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西太原 030024)

受自然作用、人為因素及材性退化的影響，已有數百年甚至千年歷史的古建筑木結構構件及斗栱節點存在不同程度的損傷，需進行合理修繕加固。而在木結構修繕選材中，抗彎彈性模量是需要考慮的一項重要指標。為了找到更合適的古建筑修繕加固用材，本研究選用五種木材進行橫紋徑向、弦向和斜向抗彎測試，采用力學試驗機以及自制的力傳感器通過電阻應變采集儀分別記錄了五種木材所受力和位移的關系，然后按荷載與位移的關系分別計算出各自的抗彎彈性模量。通過對五種木材抗彎彈性模量的測量與分析，比較了相同含水率的木材抗彎彈性模量隨密度的變化情況。試驗表明：同種木材不同受彎方向抗彎彈性模量差異較大；與其他木材相比，落葉松不同受彎方向的平均抗彎彈性模量高于其他木材；木材的抗彎彈性模量有隨密度增加而增加的趨勢。此試驗結果可為今后古建木結構的維修與加固以及構件替換提供參考。

古建筑；抗彎彈性模量；木材；密度

0 引 言

作為傳統的建筑和結構用材，木材具有良好的力學性能，在構造上梁與柱采取卯榫節點形式連接[1]。由于多種原因，古建筑木結構出現了不同程度的殘損[2]，像柱子、斗拱、卯榫節點、梁架、屋頂等的開裂、變形拔榫等影響結構抗震性能的構造問題[1]。因此對這些珍貴的歷史遺產的保護和修繕顯得尤為重要，而修繕用材的選擇又是修繕加固的基礎。木材是高度各向異性材料，它的力學性能，如強度、剛度、穩定性以及彈性模量等是工程材料重要的性能參數，同時也是結構用材的主要材性指標[3]，特別是木材的彈性模量。因此了解木材的抗彎彈性模量對木材的實木利用以及古建筑修繕加固具有非常重要的意義。在木材工業中，彈性模量是衡量鋸材力學性能的重要指標[4]，是木材應力應變曲線的初期正切，用以度量木材的剛性或抵抗變形的能力[5]。其代表木材在彈性變形階段，產生單位正應變所需要的正應力，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大。

目前，國內對古建筑修繕已有很多研究。謝啟芳等[6]對古建筑木結構修繕加固時木材材料強度取值進行了探討，提出了古建筑木結構修繕加固時木材材料強度的取值方法；李凱文等[7]對蕩口古鎮古建筑修繕修復進行了研究，介紹了古民居建筑修繕修復的原則和方法，并對古民居建筑常見結構部分做了歸納總結；余軍[8]論述了古建筑的修繕原則、修繕施工組織與驗收、施工質量通病及防治等方面的體會和見解；文獻[9- 13]主要針對古建筑修繕進行了研究。

本研究運用了目前被公認的測量木材抗彎彈性模量的標準方法即靜態彎曲法[14]。靜態彎曲法測定木材抗彎彈性模量能在不破壞木材使用價值的同時對木材的使用性能做出評價，即能使木材達到最佳的使用效果，它一般是通過力學實驗機對標準力學試件進行彎曲試驗來完成。本研究用同一種方法對五種密度不同的古建筑修繕常用木材落葉松、塔利、菠蘿格、山樟、樟子松試樣進行測試，從中得出木材彈性模量與密度的關系，對進一步推廣運用這些木材有一定的意義，特別是為古建筑修繕選材提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以落葉松、塔利、菠蘿格、山樟、樟子松作為試材，首先根據GB/T 1929—1991《木材物理力學試件鋸解機實驗截取方法》進行試材分配。根據GB/T 1936.2—1991《木材抗彎彈性模量測定方法》制作抗彎試樣，試樣尺寸(長×寬×厚)為300mm×20mm×20mm，長度為順紋方向。每組木材制作3組標準試件(徑向、弦向、斜向各一組，斜向試件按45°截取)，每組試件6個。試樣制作要求和檢查、試樣含水率的調整，分別按GB 1928規定。

1.2 測定方法

本次抗彎彈性模量材性實驗基本按照《木材工業標準》中的標準實驗方法取材，實驗均在實驗室條件下進行(實驗室溫度19℃，相對濕度70%)，不經過特殊養護。實驗儀器為抗震實驗室里的萬能試驗機。測定時采用中央二點加載，用百分表測量試樣變形，力學試驗機的試樣支撐點跨距l=240mm，實驗過程保證在彈性范圍內勻速加載，加載速率基本維持在100N/s。實驗加載裝置如圖1。

圖1 抗彎彈性模量實驗加載裝置

計算抗彎彈性模量用公式(1)。試樣所發生的位移和所受到的力分別是利用千分表和自制的力傳感器測定，然后通過電阻應變箱和電腦連接來記錄并保存。密度和含水率分別根據GB/T 1939—1991《木材密度測定方法》和GB/T 1931—1991《木材含水率測定方法》測定。

(1)

式中，EW為試樣含水率為W%時的抗彎彈性模量(MPa)，P為上下限荷載之差(N)，l為兩支座間跨距(mm)，b為試樣寬度(mm)，h為試樣高度(mm)，f為上下限荷載間的試樣變形值(mm)。

1.3 數據統計與分析方法

各測定的力和位移都是首先輸入Excel表格，然后根據力和位移的關系利用該軟件計算出各種木材的彈性模量，最后求出其平均值、標準差、變異系數，同時繪出所需要的圖標。對于各主要研究的性狀進行分析和比較。

2 結果與討論

影響木材抗彎彈性模量的因素除木材的構造外，還與溫度、含水率、密度以及缺陷等因素有關。該實驗在實驗室條件下進行，即溫度、濕度恒定。

2.1 同種木材不同受彎方向抗彎彈性模量的差異

五種木材弦向、徑向和斜向抗彎彈性模量平均值、標準差、變異系數的統計見表1，抗彎彈性模量的平均值范圍是8860～16674MPa。其中，塔利斜向受彎時抗彎彈性模量均值最大，為16674MPa，樟子松弦向受彎時抗彎彈性模量均值最小，為8860MPa。

表1 五種木材抗彎彈性模量測定結果

從變異系數上看，在進行數據統計分析時，如果變異系數大于15%，則要考慮該數據可能不正常，應該剔除。而本實驗的變異系數最大為13.27%<15%，符合規定，該組數據可用。

從抗彎彈性模量的平均值看，同一種木材，其弦向、徑向和斜向受彎時抗彎彈性模量均值相差不大，相差最大的是山樟的斜向和弦向受彎時抗彎彈性模量的均值，其斜向受彎時抗彎彈性模量的均值為15346MPa，弦向受彎時抗彎彈性模量的均值為12299MPa，相差3047MPa。相差最小的是落葉松的徑向和斜向受彎時抗彎彈性模量的均值，其大小均為16385MPa，相差0MPa。五種木材抗彎彈性模量的均值有顯著的差異，均值最大的塔利斜向受彎時抗彎彈性模量(16674MPa)約是均值最小的樟子松弦向受彎時抗彎彈性模量(8860MPa)的兩倍。由此可見，同種木材弦向、徑向和斜向受彎時抗彎彈性模量也有一定的差異，但是差異不大。對于低密度木材，弦向受彎時彈性模量最小，而高密度木材，徑向受彎時彈性模量最小。

2.2 不同密度的木材抗彎彈性模量的差異

木材的力學性能大多均與密度有關。該實驗在同等條件下進行，所以溫度、濕度恒定。因含水率會增加木材的塑形和變形，從而影響木材的抗彎彈性模量，所以本實驗將不同含水率下的抗彎彈性模量均通過公式換算成相同含水率下的抗彎彈性模量，換算用公式(2)，換算結果如表2。因而本次實驗各木材的密度對其抗彎彈性模量有決定性的影響。

E12=EW[1+0.015(W-12)]

(2)

式中，E12為含水率=12%時的抗彎彈性模量(MPa)，W為試件測試的含水率(%)，EW為試件含水率=W時的抗彎彈性模量(MPa)。

試樣含水率在9%～15%范圍內按式(2)計算有效，而五種木材的含水率最小的是塔利，為9.59%，含水率最大的是落葉松，為10.8%，可以用此公式。

五種木材抗彎彈性模量的變化幅度為8416～15844MPa，抗彎彈性模量最小的是樟子松，可見樟子松的抗彎性能最差。

表2 五種木材抗彎彈性模量

注： 1.表中數據為每組試件的平均值；

2. 抗彎彈性模量按GB/T 1936.2—1991《木材抗彎彈性模量測定方法》中的公式計算求得。

眾所周知，密度是木材物理力學性能中非常重要的指標，可以決定木材的質量和用途，而且以往的實驗均表明木材的密度與抗彎彈性模量存在著密切的關系。為了便于準確地比較五種樹種的材性差異，對于五種樹種的弦向、徑向和斜向受彎時抗彎彈性模量(含水率=12%)與密度的關系分別進行了分析。

從表2可以看出，抗彎彈性模量與密度相關，而且五種木材抗彎彈性模量與密度關系在本次實驗密度范圍內抗彎彈性模量隨著密度的變大呈現出增長的趨勢。這與尹思慈[4]所介紹的木材的彈性模量有隨密度增加而增加的趨勢一致。對于古建筑修繕用材，雖然隨著密度的增大，抗彎彈性模量也增大，但是隨著密度的增大，不僅自重增大了，造價也會隨之增加。所以密度小，抗彎彈性模量大的木材是古建筑修繕的最佳選材。落葉松特殊的構造使得其抗彎彈性模量出現突增，即密度雖處于五種木材的中間，但是抗彎彈性模量卻是五種中最大的。顯然，落葉松有剛度高的優點，所以它是古建整修保護的最佳選材。當然也應該對這種木材做更加深入的研究，從而發揮其更大的優點。而且其三個受彎方向的抗彎彈性模量比較接近。由于木材是高度各向異性材料，所以有些木材的各受彎方向抗彎彈性模量有很大的差異，比如：山樟弦向受彎時比斜向受彎時抗彎彈性模量低3000MPa，使用時要注意受彎方向，盡量保證受彎方向抗彎彈性模量最大。

另外從數據中可以看出，菠蘿格密度較高，而抗彎彈性模量只達中等水平。這可能是由于試件所含年輪不均等因素造成；另外與實驗時加速度等因素亦有關系。

本工作僅研究了木材抗彎彈性模量這一力學形狀，未與木材物理形狀及其他力學形狀聯合分析，有待于進一步完善研究，從而為利用該木材提供更準確可靠的消息。

3 結 論

通過對五種木材標準試樣進行的抗彎彈性模量試驗，初步得出以下幾個結論：

1) 同種木材不同受彎方向抗彎彈性模量差異較大。古建筑修繕中，雖然斜向受彎時抗彎彈性模量較大，但考慮到構件制作的難度，在滿足條件的情況下，建議選用抗彎彈性模量較大的徑向作為受彎方向。

2) 木材的抗彎彈性模量隨著密度的變大呈現出增長的趨勢，但趨勢不明顯。

3) 含水率相同時，密度較小的落葉松抗彎彈性模量高于其他四種木材。當滿足古建木構文物修繕選材要求時，可優先選用落葉松作為替換樹種。

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(責任編輯 謝 燕)

Research on the flexural performance of ancient wood based on the restoration of cultural relics

YU Jin- cai， CHEN Jin- yong， SHI Xi- wang， NIU Qing- fang， WAN Jia, LI Tie- ying

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)

After hundreds or even thousands of years of natural, human and material degradation, the structural elements of wood buildings and the bow- pieces of corbel bracket nodes have suffered different degrees of damage. These wood parts often need to be repaired. The modulus of elasticity under static bending conditions is a significant factor that needs to be considered when selecting materials for the repair of wood buildings. In order to find a more suitable material for reinforcing or repairing ancient buildings, a bending residence test is developed for evaluating the radial, tangential and slant directions of five types of wood. A mechanical testing machine and a self- developed force sensor were applied to record the correlation between the stress and displacement of the five types of wood using a resistance strain gauge. From the correlation between load and displacement, the modulus of elasticity in static bending can be calculated separately. Through measurement and analysis of the five types of the modulus of elasticity in static bending of wood, the change of density can be compared by the same moisture content of the modulus of elasticity in static bending of wood. The results show that the same wood can have significantly different values of static elasticity bending when bent at different directions. The larch has the highest average modulus of elasticity when bent in different directions,compared with other woods tested. It was also found that the higher the wood density, the higher the modulus of elasticity in static bending.This test results provide the references for the maintenance，reinforcement and alternative replacement of the timber structures.

Ancient architecture; The modulus of elasticity in static bending; Wood; Density

2016- 08- 01；

2016- 09- 16

國家自然科學基金資助(51338001，51278324)

于金財(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為古建筑結構，E- mail： yujincai0313@126.com 通信聯系人：李鐵英，教授，研究方向為建筑結構抗震及古建筑結構， E- mail： lty680412@163.com

1005- 1538(2017)04- 0062- 05

TU502+.6

A