黔東南州杉木物理力學性能研究

王展光 石 昂 王婷婷 邵建華

(1.凱里學院建筑工程學院 貴州凱里 556011;2.江蘇科技大學土木工程與建筑學院 江蘇鎮江 212003)

0 引言

2014年，黔東南州對全州民族村寨進行了普查，統計發現全州共有建寨史100年以上、百年未發生過重大火災的、傳統習俗保存完整的民族村寨726個，民族村寨95%以上都是木質建筑，其材料大部分采用本地生長的杉木。對黔東南本地生產的杉木材料性能進行研究，對于分析和了解黔東南木結構的性能具有重要的意義。

目前，在木結構規范和相關工具書對杉木的材料力學性能都有相關的推薦值[1-3]。如，胡旭對黔東南木材性能進行了初步分析。該試驗采用同批次的黔東南生長的杉木，按照木材性能測試規范的規定加工成標準試件，對其進行木材基本物理性能測試，雖然在總體上對黔東南生長的杉木材料性能研究還較為缺乏，但該研究對后續研究黔東南木結構性能奠定基礎，為黔東南木結構設計和維修提供材料性能參數。

1 試驗研究

1.1 試件設計和制作

試樣采用從黔東南本地生產的杉木，對其進行抗彎彈性模量、順紋抗拉彈性模量和抗拉強度、順紋抗壓彈性模量和順紋泊松比、橫紋徑向抗壓彈性模量和橫紋徑向泊松比、橫紋弦向抗壓彈性模量和橫紋弦向泊松比、抗壓強度等幾個方面基本材料力學性能進行測試，相關試件的數量和試件尺寸[5-10]，如表1和圖1所示。

表1 杉木材料性能試件

(a)抗彎彈性模量試件

(b)順紋抗拉彈性模量和強度試件

(c)順紋抗壓彈性模量和泊松比試件 (d) 橫紋徑向彈性模量和泊松比試件

(e)橫紋弦向抗壓彈性模量和泊松比試件 (f) 抗壓強度

1.2 測試內容及試驗加載

杉木試件加工好后，在相應的部位貼上應變片，進行相關部位的應變數據進行采集。杉木材料性能實驗在濟南試金集團有限公司微機控制電子萬能試驗機(WDW-50E)上進行。荷載-位移曲線由IMP數據采集系統進行采集。對試件采用控制位移的方法進行加載，加載速度為1mm/min，直至整個構件破壞或承載力下降到峰值荷載的50%。

2 試驗結果與討論

2.1 順紋抗拉彈性模量和抗拉強度

黔東南杉木的順紋抗拉彈性模量和抗拉強度的加工試件和試驗后的破壞試件(圖2)。其順紋抗拉應力-應變曲線(圖3)，從圖中可以看出，杉木在順紋拉伸情況，其拉伸曲線幾乎為線性，應力隨著應變增大，當應變達到最大時，突然斷裂。

圖2 黔東南杉木的順紋抗拉試件

圖3 順紋抗拉應力-應變曲線

對所有試件數據進行匯總和分析，黔東南杉木順紋抗拉彈性模量平均值為10 969.7MPa，順紋抗拉強度平均值為59.64MPa，相關結果如表2所示。

表2 順紋抗拉彈性模量和抗拉強度實驗數據

2.2 順紋抗壓彈性模量和順紋泊松比

黔東南杉木順紋抗壓試件如圖4所示，其順紋抗壓應力應變曲線如圖5所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在順紋受壓應力隨著應變的增長而增長，在不考慮初始變形情況下，其應力應變曲線可以劃分為線彈性和彈塑性階段。

圖4 杉木順紋抗壓試件

圖5 順紋抗壓應力-應變曲線

對所有順紋抗壓數據進行匯總和分析，黔東南杉木順紋抗壓彈性模量平均值為11 059.7MPa，順紋兩個方向的泊松比相近，平均值分別為0.548和0.461，相關結果如表3～表4所示。

表3 順紋抗壓彈性模量實驗數據

表4 順紋泊松比實驗數據

2.3 橫紋徑向抗壓彈性模量和橫紋徑向泊松比

黔東南杉木橫紋徑向抗壓試件如圖6所示，其橫紋徑向抗壓應力-應變曲線如圖7所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在橫紋徑向應力應變曲線與順紋受壓應力應變曲線相似，其受壓應力隨著應變的增長而增長，應力應變曲線可以劃分為兩個階段，分別為線彈性和彈塑性階段。

圖6 杉木橫紋徑向抗壓試件

圖7 橫紋徑向抗壓應力-應變曲線

對所有橫紋徑向抗壓數據進行匯總和分析，黔東南杉木橫紋徑向抗壓彈性模量平均值為217.1MPa，只有順紋抗壓彈性模量的1/50左右；橫紋徑向泊松比平均值為0.018，只有順紋泊松比的1/30左右；相關結果如表5～表6所示。

表5 橫紋徑向抗壓彈性模量實驗數據

表6 橫紋徑向泊松比實驗數據

2.4 橫紋弦向抗壓彈性模量和橫紋弦向泊松比

黔東南杉木橫紋弦向抗壓試件如圖8所示，其橫紋弦向抗壓應力應變曲線如圖9所示。從圖中可以看出，黔東南杉木在橫紋弦向應力應變曲線與杉木順紋受壓應力應變曲線相似，其受壓應力隨著應變的增長而增長，應力應變曲線可以劃分為兩個階段，分別為線彈性和彈塑性階段。

圖8 杉木橫紋弦向抗壓試件

圖9 橫紋弦向抗壓應力-應變曲線

對所有橫紋弦向抗壓數據進行匯總和分析，黔東南杉木橫紋徑向抗壓彈性模量平均值為242.7MPa，與橫紋徑向抗壓彈性模量相近；橫紋徑向泊松比平均值分別為0.0127和0.409，其中一個方向泊松比是另一個方向的32倍；相關結果如表7～表8所示。

表7 橫紋弦向抗壓彈性模量實驗數據

表8 橫紋弦向泊松比實驗數據

2.5 抗壓強度

由于杉木為各向異性材料，黔東南杉木的抗壓強度主要包括順紋抗壓強度、橫紋徑向抗壓強度和橫紋弦向抗壓強度，3個方向的抗壓強度試件如圖10所示，試驗結果如表9所示。從表9可以看出，該順紋抗壓強度為38.14MPa，遠遠大于橫紋徑向抗壓強度和橫紋弦向抗壓強度,是其的11倍。

(a)順紋 (b) 橫紋徑向 (c) 橫紋弦向

表9 抗壓強度實驗數據

2.6 抗彎彈性模量

黔東南杉木的抗彎模量試件如圖11所示，試驗結果如表10所示。從表10可以看出，黔東南杉木的抗彎模量2572.2MPa，遠小于順紋抗壓彈性模量，是順紋抗壓彈性模量的1/4左右；遠大于橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量，是橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量的10倍。

圖11 杉木抗彎試件

表10 抗彎彈性模量實驗數據

3 結論

通過對黔東南杉木的木材基本物理性能進行測試，結論如下：

(1)黔東南杉木在順紋拉伸情況下應力應變曲線為線性。

(2)黔東南杉木在順紋和橫紋壓縮情況下，壓縮應力應變曲線相似，分為線彈性階段和彈塑性階段，順紋抗壓彈性模量遠大于橫紋徑向和橫紋弦向彈性模量。

(3)黔東南杉木的抗壓強度主要包括順紋抗壓強度、橫紋徑向抗壓強度和橫紋弦向抗壓強度，順紋抗壓強度遠遠大于橫紋徑向抗壓強度和橫紋弦向抗壓強度。

(4)黔東南杉木的抗彎模量遠小于順紋抗壓彈性模量，遠大于橫紋徑向和弦向抗壓彈性模量。