木材的力學(xué)性質(zhì)

1、木材的力學(xué)性質(zhì)第8章 主要介紹了木材力學(xué)性質(zhì)的基本概念、木材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；木材的正交異向彈性、木材的黏彈性、木材的塑性；木材的強(qiáng)度與破壞、單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點(diǎn)；基本的木材力學(xué)性能指標(biāo)；影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素等。木材力學(xué)是涉及木材在外力作用下的機(jī)械性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)的科學(xué)，它是木材學(xué)的一個(gè)重要組成部分。木材力學(xué)性質(zhì)是度量木材抵抗外力的能力，研究木材應(yīng)力與變形有關(guān)的性質(zhì)及影響因素。木材作為一種非均質(zhì)的、各向異性的天然高分子材料，許多性質(zhì)都有別于其它材料，而其力學(xué)性質(zhì)和更是與其它均質(zhì)材料有著明顯的差異。例如，木材所有力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)因其含水率（纖維飽和點(diǎn)以下）的變化而產(chǎn)生很大程度的改變；

2、木材會(huì)表現(xiàn)出介于彈性體和非彈性體之間的黏彈性，會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，并且其力學(xué)性質(zhì)還會(huì)受荷載時(shí)間和環(huán)境條件的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，木材的力學(xué)性質(zhì)涉及面廣，影響因素多，學(xué)習(xí)時(shí)需結(jié)合力學(xué)、木材構(gòu)造、木材化學(xué)性質(zhì)的有關(guān)知識(shí)。木材力學(xué)性質(zhì)包括應(yīng)力與應(yīng)變、彈性、黏彈性（塑性、蠕變）、強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、沖擊韌性等）、硬度、抗劈力以及耐磨耗性等。8.1 應(yīng)力與應(yīng)變8.1.1 應(yīng)力與應(yīng)變的概念8.1.1.1 應(yīng)力 物體在受到外力時(shí)具有形變的趨勢(shì)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抵抗外力所致變形作用的力，成為內(nèi)力，當(dāng)物體處于平衡狀態(tài)時(shí)，內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。應(yīng)力就是指物體在外力作用下單位面積

3、上的內(nèi)力。圖8-1 順紋理加壓與順紋理剪切當(dāng)外力均勻地作用于順紋方向的短柱狀木材端面上，柱材全長(zhǎng)的各個(gè)斷面上都將受到應(yīng)力，此時(shí)，單位斷面面積上的木材就會(huì)產(chǎn)生順紋理方向的正應(yīng)力（圖8-1a）。把短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力分別稱為壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。當(dāng)作用于物體的一對(duì)力或作用力與反作用力不在同一條作用線上，而使物體產(chǎn)生平行于應(yīng)力作用面方向被剪切的應(yīng)力，這種應(yīng)力被稱為剪應(yīng)力（圖8-1b）。應(yīng)力單位曾一度使用dyn/cm2、kgf/cm2等，近年來(lái)開(kāi)始采用國(guó)際單位中的N/mm2（=MPa）。 8.1.1.2 應(yīng)變 外力作用下，物體單位長(zhǎng)度上的尺寸或形狀的變化稱為應(yīng)變，或稱相對(duì)變形。應(yīng)變也分為正

4、應(yīng)變或剪（角）應(yīng)變。正應(yīng)變?cè)?時(shí)被稱為拉伸變形，在0時(shí)被稱為壓縮應(yīng)變。正應(yīng)變、剪應(yīng)變用無(wú)量綱表示，也用其百分值（%）表示。8.1.2 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系8.1.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線 物體在外力（載荷）作用下產(chǎn)生的變形與外力的大小有關(guān)，通常用荷載變形圖來(lái)表示它們的關(guān)系。載荷變形圖是以縱軸表示物體受到的載荷，以橫軸表示物體的變形量，坐標(biāo)軸空間中根據(jù)載荷數(shù)值和變形大小做出的曲線被叫做載荷變形曲線；同理，把表示應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系圖定義為應(yīng)力應(yīng)變圖，曲線為應(yīng)力應(yīng)變曲線。應(yīng)力應(yīng)變曲線與材料或物質(zhì)固有的性質(zhì)有關(guān)，能概括性地描述物體從受外力開(kāi)始直到破壞時(shí)的力學(xué)行為，是研究物體力學(xué)性質(zhì)非常有用的工具。ab圖8-2

5、應(yīng)力-應(yīng)變曲線（模式圖）圖8-2a模式地表示了應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征。即：應(yīng)力應(yīng)變曲線由從原點(diǎn)O開(kāi)始的直線部分OP和連續(xù)的曲線部分PEDM組成。曲線的終點(diǎn)M表示物體的破壞點(diǎn)。8.1.2.2 比例極限與永久變形 直線部分的上端點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的應(yīng)力叫比例極限應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變叫比例極限應(yīng)變；從比例限度P點(diǎn)到其上方的E點(diǎn)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)力叫彈性極限。應(yīng)力在彈性極限以下時(shí)，一旦除去應(yīng)力，物體的應(yīng)變就會(huì)完全回復(fù)，這樣的應(yīng)變稱作彈性應(yīng)變。應(yīng)力一旦超過(guò)彈性限度，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率減少，應(yīng)變顯著增大，這時(shí)如果除去應(yīng)力，應(yīng)變不會(huì)完全回復(fù)，其中一部分會(huì)永久殘留，這樣的應(yīng)變稱作塑性應(yīng)變或永久應(yīng)變。8.1.2.3 破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變

6、隨著應(yīng)力進(jìn)一步增加，應(yīng)力在M點(diǎn)達(dá)到最大值，物體產(chǎn)生破壞。M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱作物體的破壞應(yīng)力、極限強(qiáng)度等。與破壞應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變叫破壞應(yīng)變。8.1.2.4 屈服應(yīng)力 有時(shí)，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)彈性限度值并保持一定或基本上一定，而應(yīng)變急劇增大，這種現(xiàn)象叫屈服，而應(yīng)變突然轉(zhuǎn)為急劇增大的轉(zhuǎn)變點(diǎn)處的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力。圖8-2 b表示了彈性變形呈直線屈服時(shí)的情況，其中表示屈服應(yīng)力。8.1.2.5 木材應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 木材的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系比較復(fù)雜，因?yàn)樗男阅芗炔幌裾嬲膹椥圆牧希植幌裾嬲乃苄圆牧?，而屬于既有彈性又有塑性的材料黏彈性材料。在較小的應(yīng)力和較短的時(shí)間里，木材的性能十分接近于彈性材料；反之，則近似于

7、黏彈性材料。所以，要必要先學(xué)習(xí)一下木材的彈性以及黏彈性的知識(shí)。8.2 彈性與木材的正交異向彈性8.2.1 彈性與彈性常數(shù)8.2.1.1 彈性 應(yīng)力在彈性極限以下時(shí)，一旦除去應(yīng)力，物體的應(yīng)變就完全消失。這種應(yīng)力解除后即產(chǎn)生應(yīng)變完全回復(fù)的性質(zhì)叫作彈性，而僅表現(xiàn)彈性的物體叫彈性體。對(duì)彈性體的彈性可以用彈性常數(shù)來(lái)表示。8.2.1.2 彈性常數(shù) （1） 彈性模量和柔量除大理石和橡皮以外，所有建筑材料的直線應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的關(guān)系在比例限度以下符合虎克定律： （8-1）這里，比例常數(shù)E叫做彈性模量或楊氏模量。因?yàn)槭菬o(wú)量綱比例系數(shù)，所以E與的量綱相同，為MPa。彈性模量是物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料

8、抵抗變形能力的大小，是表示材料力學(xué)性質(zhì)的重要常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，物體的彈性模量值愈大，在外力作用下愈不易變形，材料的強(qiáng)度也愈大。彈性模量的倒數(shù)稱為柔量，柔量的物理意義是單位應(yīng)力的變形，表征材料產(chǎn)生變形的難易程度。（2） 剪切彈性模量剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之間，在小的范圍內(nèi)成比例關(guān)系，符合虎克定律：=G 或 =/G （8-2）這里，比例常數(shù)G為剪切彈性模量，或剛性模量。（3） 泊松比物體的彈性應(yīng)變?cè)诋a(chǎn)生應(yīng)力主軸方向收縮（拉伸）的同時(shí)還往往伴隨有垂直于主軸方向的橫向應(yīng)變，將橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比稱為泊松比，用表示。 （8-3）式中，表示橫向應(yīng)變，表示軸向應(yīng)變，為泊松比。右邊的負(fù)號(hào)表示和的正負(fù)方向相反造成的

9、。泊松比和彈性模量一樣，是物質(zhì)固有的常數(shù)。（4） 彈性常數(shù)彈性模量E、剪切彈性模量G、泊松比通常統(tǒng)稱為彈性常數(shù)。彈性常數(shù)用應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線區(qū)域來(lái)確定，但在實(shí)用上也可以用對(duì)應(yīng)的曲線區(qū)域來(lái)確定。這時(shí)，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上任意一點(diǎn)，引出切線或者割線，過(guò)切點(diǎn)的這條直線的斜率叫做該點(diǎn)或該曲線部分的彈性常數(shù)。8.2.2 木材的正交對(duì)稱性與正交異向彈性8.2.2.1 正交異向彈性 若物體相互正交的3個(gè)方向表現(xiàn)異性，則稱物體的這種性質(zhì)為正交異性，這樣的物體稱為正交異性體。同理，彈性的正交異性為正交異向彈性。8.2.2.2 木材的正交對(duì)稱性 木材由于組織構(gòu)造的因素決定了木材的各向異性，但由于木材的絕大多數(shù)細(xì)胞和組

10、織平行于樹(shù)干沿軸向排列，而纖維、射線組織是垂直于樹(shù)干成徑向同心環(huán)狀排列的，這樣就賦予了木材的圓柱對(duì)稱性，使它成為近似呈柱面對(duì)稱的正交對(duì)稱性物體。符合正交對(duì)稱性的材料，可以用虎克定律來(lái)描述它的彈性。圖8-3 木材正交對(duì)稱性示意圖下面，利用正交對(duì)稱性來(lái)討論木材。如圖8-3所示，假使從樹(shù)干上距離髓心一定距離，切取一個(gè)相切于年輪的正交六面體小試樣。這個(gè)試樣便具有3個(gè)對(duì)稱軸，將平行于縱向的定義作L軸，平行于徑向的作R軸，平行于弦向的作T軸；它們彼此垂直，三軸中的每二軸又可構(gòu)成一平面，因而又有RT、LR和LT三個(gè)面，分別對(duì)應(yīng)橫切面、徑切面和弦切面。如果將這三個(gè)軸視為彈性對(duì)稱的軸，則該試樣可視為置于一個(gè)正交

11、坐標(biāo)系中，于是可以應(yīng)用正交對(duì)稱原理討論木材的正交異向彈性。8.2.2.3 木材的正交異向彈性常數(shù) Hearmon（1953）提出用廣義虎克定律分述正交對(duì)稱的木材的三個(gè)主軸的應(yīng)變方程，它們?yōu)椋?（8-4） （8-5） （8-6） （8-7） （8-8） （8-9）式中，、和分別表示軸向、弦向和徑向之應(yīng)變；、和分別表示3個(gè)方向之彈性模量；、和分別表示3個(gè)方向之應(yīng)力。等表示泊松比（又稱橫向變形系數(shù)），下角注的第一個(gè)字母表示應(yīng)力方向、第二個(gè)字母表示橫向應(yīng)變。即為在軸向應(yīng)力作用下的徑向泊松比，數(shù)值上等于徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。各方向的泊松比均為小于1的數(shù)，以壓應(yīng)力和拉應(yīng)變?yōu)檎粗疄樨?fù)。表示T和R軸構(gòu)成

12、的面（即木材的橫切面）的剪切應(yīng)變。表示徑切面的剪切應(yīng)力，表示弦切面的剪切模量，以此類推。可通過(guò)上述六個(gè)方程式中存在的9個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)來(lái)反映木材的正交異向性，這9個(gè)常數(shù)是：3個(gè)彈性模量、3個(gè)剪切彈性模量和3個(gè)泊松比。不同樹(shù)種間的這9個(gè)常數(shù)值是存在差異的，見(jiàn)表8-1。表8-1幾種木材的彈性常數(shù)材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaRTLRLT針葉樹(shù)材 云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47 松木0.550101627211035736761172660.680.420.51 花旗松0.59091640

13、013009009101180790.630.430.37闊葉樹(shù)材 輕木0.20096274296103200310330.660.230.49 核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63 白蠟?zāi)?.670915790151682789613102690.710.460.51山毛櫸0.750111370022401140106016104600.750.450.51注：E代表彈性模量，G代表剪切彈性模量，代表泊松比。EL順紋（L）彈性模量；ER水平徑向（R）彈性模量；ET水平弦向（T）彈性模量。GLT順紋-弦面剪切彈性模量；GLR順紋-徑面剪切彈性模

14、量；GTR水平面剪切彈性模量。RTT向壓力應(yīng)變/R向延展應(yīng)變；LRR向壓力應(yīng)變/L向延展應(yīng)變；LTT向壓力應(yīng)變/L向延展應(yīng)變。從表8-1中數(shù)據(jù)可以看出，木材是高度各向異性材料，縱、橫向的差異程度可能是所有建筑材料中的最高者。木材三個(gè)主方向的彈性模量因顯微和超微構(gòu)造而異，一般表現(xiàn)為順紋彈性模量（EL）比橫紋彈性模量（ER、ET）大得多，橫紋彈性模量中徑向大于弦向，即ELER ET。若以EL/ER、EL/ET、ER/ET作為各向異性的程度（異向度），根據(jù)不同樹(shù)種的平均值，針葉樹(shù)材的ER/ET=1.8，EL/ER=13.3，EL/ET =24；闊葉樹(shù)材的ER/ET=1.9，EL/ER=9.5，EL/

15、ET =18.5。針葉樹(shù)材的異向度比闊葉樹(shù)材高，這主要是由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)變異小的緣故。徑向-水平面的彈性模量約比弦向-水平面的彈性模量大50%，這主要是由于徑向水平面有水平方向排列的細(xì)胞（射線），以及徑切面與弦切面間的微纖絲排列方向略有不同。木材的剪切彈性模量的規(guī)律為，橫切面上值最小，針葉樹(shù)材的三者之比為20.5：17：1，闊葉樹(shù)材的三者之比為4.3：3.2：1。徑切面和弦切面的剪切彈性模量分別與徑向和弦向的彈性模量值相近，即，。木材的彈性模量E和剪切彈性模量G都有隨密度增大而增加的趨勢(shì)。木材的泊松比與其它材料相比為大，在正交異向上表現(xiàn)為。8.3 木材的粘彈性與彈性材料相對(duì)，還有一類黏性流體。黏性

16、流體沒(méi)有確定的形狀，在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變隨時(shí)間的增加而連續(xù)地增加，除去應(yīng)力后應(yīng)變不可回復(fù)，黏性流體所表現(xiàn)出的這個(gè)性質(zhì)就被稱為黏性。目前，將討論物體在外力作用下產(chǎn)生變形和流動(dòng)的研究，即討論材料荷載后的彈性和黏性的科學(xué)稱為流變學(xué)。木材作為生物材料同時(shí)具有彈性和黏性兩種不同機(jī)理的變形。木材在長(zhǎng)期荷載下的變形將逐漸增加，若荷載很小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，變形就不再增加；當(dāng)荷載超過(guò)某極限值時(shí)，變形隨時(shí)間而增加，直至使木材破壞，木材這種變形如同流體的性質(zhì)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)受黏性和時(shí)間的影響。所以，討論木材的變形時(shí)，需對(duì)木材的彈性和黏性同時(shí)予以考慮，將木材這種同時(shí)體現(xiàn)彈性固體和黏性流體的綜合特性稱作黏彈性。蠕變和

17、松弛是黏彈性的主要內(nèi)容。木材的黏彈性同樣依賴于溫度、負(fù)荷時(shí)間、加荷速率和應(yīng)變幅值等條件，其中溫度和時(shí)間的影響尤為明顯。8.3.1 木材的蠕變?cè)谌粘Ｉ钪校藗冇袝r(shí)會(huì)看到書(shū)架中的木擱板因一直放置大批較重的書(shū)籍，由新時(shí)的非常平直逐漸被壓彎變形，幾年后就會(huì)出現(xiàn)明顯的彎曲形狀。這種現(xiàn)象就與木材的蠕變特性有關(guān)。8.3.1.1 蠕變 在恒定應(yīng)力下，木材應(yīng)變隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大的現(xiàn)象稱為蠕變。Denton和Riesenberger證明，若木梁承受恒載為最大瞬時(shí)荷載能力的60%，受蠕變影響，大約一年就破壞了。木材使用時(shí)承受不超過(guò)比例極限的荷載，由于蠕變而形成持續(xù)的、速度是遞減的變形，直至破壞時(shí)所發(fā)生的變形約

18、2倍于前一種情況的變形。 8.3.1.2 蠕變曲線 木材作為高分子材料，在受外力作用時(shí)，由于其黏彈性而產(chǎn)生3種變形：瞬時(shí)彈性變形、黏彈性變形及塑性變形。與加荷速度相適應(yīng)的變形稱為瞬時(shí)彈性變形，它服從于虎克定律；加荷過(guò)程終止，木材立即產(chǎn)生隨時(shí)間遞減的彈性變形，稱黏彈性變形（或彈性后效變形）；最后殘留的永久變形被稱為塑性變形。黏彈性變形是纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成的，變形是可逆的，但較彈性變形它具有時(shí)間滯后性。塑性變形是纖維素分子鏈因荷載而彼此滑動(dòng)，變形是不可逆轉(zhuǎn)的。木材的蠕變曲線如圖8-4所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為應(yīng)變。t0時(shí)施加應(yīng)力于木材，即產(chǎn)生應(yīng)變OA，在此不變應(yīng)力下，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，變形

19、繼續(xù)慢慢地增加產(chǎn)生蠕變AB。在時(shí)間t1時(shí)，解除應(yīng)力，便產(chǎn)生彈性恢復(fù)BC1（=OA），至?xí)r間t2時(shí)，又出現(xiàn)部分蠕變恢復(fù)（應(yīng)力釋放后隨時(shí)間推移而遞減的彈性變形），C1到D是彈性后效變形C1C2，t2以后變形恢復(fù)不大，可以忽略不計(jì)，于是C2C3即 圖8-4 木材的蠕變曲線可作為荷載卸載周期終結(jié)的殘余永久變形（塑性變形）。木材蠕變曲線變化表現(xiàn)的正是木材的黏彈性質(zhì)。8.3.1.3 蠕變規(guī)律 根據(jù)上述蠕變曲線分析木材等黏彈性材料，可得如下幾點(diǎn)結(jié)論。（1）對(duì)木材施載產(chǎn)生瞬時(shí)變形后，變形有一隨時(shí)間推移而增大的蠕變過(guò)程；（2）卸載后有一瞬時(shí)彈性恢復(fù)變形，在數(shù)值上等于施載時(shí)的瞬時(shí)變形；（3）卸載后有一隨時(shí)間推移而

20、變形減小的蠕變恢復(fù)，在此過(guò)程中的是可恢復(fù)蠕變部分；（4）在完成上述蠕變恢復(fù)后，變形不再回復(fù)，而殘留的變形為永久變形，即蠕變的不可恢復(fù)部分；（5）蠕變變形值等于可恢復(fù)蠕變變形值和不可恢復(fù)蠕變變形值之和。圖8-5 反復(fù)加載-卸載的應(yīng)力-應(yīng)變周期圖8.3.1.4 單向應(yīng)力循環(huán)加載時(shí)的蠕變特點(diǎn) 以一個(gè)方向的應(yīng)力循環(huán)作用于木材，如圖8-5所示，每個(gè)應(yīng)力加載卸載周期都會(huì)殘留一個(gè)變形，如等；在熱力學(xué)上，曲線所包圍的面積相當(dāng)于各周期中能量的消耗。從圖中可以看出，能量的損耗隨著每個(gè)周期增大，意味著在變形中做了更多的功，材料內(nèi)部熵的損耗增大，同時(shí)造成材料蠕變的不可恢復(fù)部分越來(lái)越大。圖8-6 多向應(yīng)力作用下蠕變的消

21、除8.3.1.5 蠕變的消除 如圖8-6所示，對(duì)木材等黏彈性體施加一荷載，荷載初期產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變曲線，卸載產(chǎn)生曲線，殘留了永久變形。為了使永久變形消失而重新獲得物體的原來(lái)形狀，必須施加與產(chǎn)生曲線應(yīng)力符號(hào)相反的應(yīng)力，而形成這段曲線；當(dāng)繼續(xù)增大到等于，將延至；卸去這個(gè)符號(hào)相反的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變曲線，也不能恢復(fù)到原形，殘留負(fù)向的永久變形。再次通過(guò)反向應(yīng)力，材料才能恢復(fù)原形。如果再繼續(xù)增大應(yīng)力，則產(chǎn)生曲線，與原曲線構(gòu)成一個(gè)環(huán)狀閉合。封閉曲線所包圍的面積相當(dāng)于整個(gè)周期中的能量損耗。8.3.1.6 建筑木構(gòu)件的蠕變問(wèn)題 建筑木構(gòu)件長(zhǎng)期承受靜載荷，所以必須考慮有關(guān)蠕變問(wèn)題。現(xiàn)將有關(guān)結(jié)論介紹如下：（1）針葉樹(shù)

22、材在含水率不發(fā)生變化的條件下，施加靜荷載小于木材比例極限強(qiáng)度的75%時(shí)，可認(rèn)為是安全的。但在含水率變化條件下，大于比例極限強(qiáng)度20%時(shí)，就可能產(chǎn)生蠕變，隨時(shí)間延長(zhǎng)最終會(huì)導(dǎo)致破壞；（2）若木材由于靜荷載產(chǎn)生變形，其變形速率逐漸降低，則變形經(jīng)一定時(shí)間后最終會(huì)停止，這種情況下木結(jié)構(gòu)是安全的。反之，如果變形速率是逐漸增加的，則木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不安全，最終會(huì)導(dǎo)致破壞；（3）如果木橫梁承受的荷載低于其彈性極限，且短期受載即卸載，它將恢復(fù)其原有的極限強(qiáng)度和彈性；（4）含水率會(huì)增加木材的塑性和變形。在含水率升高的時(shí)候，同樣荷載下的木材會(huì)產(chǎn)生變形增加；當(dāng)含水率降低到原來(lái)程度時(shí)，變形卻不會(huì)退到原來(lái)含水率的狀態(tài)，也就是

23、說(shuō)，由于含水率的增加，木材受一定荷載產(chǎn)生的變形是可以累積的。若含水率變化若干周期后，木材的蠕變量會(huì)很大，甚至最后會(huì)發(fā)生破壞；（5）溫度對(duì)蠕變有顯著的影響。當(dāng)空氣溫度和濕度增加時(shí)，木材的總變形量和變形速度也增加。一般情況下，空氣相對(duì)濕度的波動(dòng)范圍較小，而木構(gòu)件尺寸較大，所以主要受溫度影響，其規(guī)律為，溫度越高，木材纖維素分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，變形增大。夏季木梁變形大即符合此原理。8.3.2 木材的松弛在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)初始釘入木材中的釘子或榫十分緊固，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間之后卻發(fā)生了松勁，這種現(xiàn)象就與木材的松弛有關(guān)。8.3.2.1 松弛 若使木材這類黏彈性材料產(chǎn)生一定的變形，并在時(shí)間推移中保持此狀

24、態(tài)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)此恒定變形的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，這種在恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛，或簡(jiǎn)稱松弛。產(chǎn)生蠕變的材料必然會(huì)產(chǎn)生松弛。松弛與蠕變的區(qū)別在于：在蠕變中，應(yīng)力是常數(shù)，應(yīng)變是隨時(shí)間變化的可變量；而在松弛中，應(yīng)變是常數(shù)，應(yīng)力是隨時(shí)間變化的可變量。木材之所以產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象，是由于它是既具有彈性又具有塑性的黏彈性材料。8.3.2.2 松弛曲線 松弛過(guò)程用應(yīng)力時(shí)間曲線表示，應(yīng)力時(shí)間曲線也被稱作松弛曲線，如圖8-7。圖8-7 黏彈性材料的松弛曲線(應(yīng)變的速度為常數(shù))Kitazawa根據(jù)木材的剛性找出了測(cè)定固體的松弛曲線公式： （8-10）式中，t為某一時(shí)間，為t

25、時(shí)間的應(yīng)力，為單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力，m為松弛系數(shù)。松弛系數(shù)隨樹(shù)種和應(yīng)力種類而有不同，但更受密度和含水率影響，m值與密度成反比，與含水率成正比。8.3.2.3 松弛彈性模量 單位應(yīng)變的松弛應(yīng)力稱為松弛彈性模量。 （8-11）式中，為松弛彈性模量；彈性模量為緩和時(shí)間的函數(shù)，用表示，稱為緩和時(shí)間分布或松弛波譜。8.3.3 木材的塑性木材作為承重構(gòu)件使用時(shí)，必須避免塑性變形的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)應(yīng)力或荷載重應(yīng)控制在彈性極限或蠕變極限范圍之內(nèi)。但在彎曲木、壓縮木、人造板成型加工時(shí)，又必須掌握應(yīng)用塑性變形的條件，以盡快增加木材的塑性變形。8.3.3.1 塑性與塑性變形 當(dāng)施加于木材的應(yīng)力在其彈性限度以內(nèi)時(shí)，去除外力后變

26、形將回復(fù)原尺寸；當(dāng)應(yīng)力超過(guò)木材的彈性限度時(shí)，去除外力后，木材仍會(huì)殘留一個(gè)當(dāng)前不能恢復(fù)的變形，將這個(gè)變形稱為塑性變形。木材所表現(xiàn)出的這一性質(zhì)稱為塑性。木材的塑性是由于在應(yīng)力作用下，高分子結(jié)構(gòu)的變形及相互間相對(duì)移動(dòng)的結(jié)果。與其他材料相比，木材特別是氣干材，因屈服點(diǎn)不明顯，且破壞也較小的緣故，所以一般被認(rèn)為是塑性較小的材料。8.3.3.2 木材塑性的影響因素 影響木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和溫度，其中含水率和溫度的影響十分顯著。多孔性的樹(shù)種如櫟、白蠟?zāi)?、榆木等在承受彎曲加工時(shí)塑性大，是因?yàn)樽冃螘r(shí)堅(jiān)強(qiáng)的韌型纖維對(duì)鄰近的導(dǎo)管施加壓力，導(dǎo)管的強(qiáng)度降低，因而導(dǎo)管壁被迫向腔內(nèi)潰陷產(chǎn)生塑性變

27、形，被堅(jiān)固的韌型纖維占據(jù)其空隙。木材的塑性隨含水率的增加而增大，但在0以下，木材細(xì)胞腔內(nèi)所含水分結(jié)冰，使其塑性降低。木材的塑性也隨溫度的升高而加大，這比含水率所起的作用明顯，這種性質(zhì)往往被稱為熱塑性。木材中木質(zhì)素是熱塑性物質(zhì)，其軟化點(diǎn)在全干狀態(tài)下為127193，在濕潤(rùn)狀態(tài)下顯著降低，為77128。半纖維素由于吸著水的存在，其軟化點(diǎn)的降低和木質(zhì)素有相似情況，在濕潤(rùn)狀態(tài)下為7080。纖維素的熱軟化點(diǎn)在232以上，其結(jié)晶性不受水分的影響，但纖維素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度隨含水率的增加而降低。木材在濕潤(rùn)狀態(tài)下加熱時(shí)，有顯著軟化的可能性。溫度升高后，往往使木材變脆，因此，要加大木材的塑性，既要提高含水率，又要升

28、高其溫度，通常較好的方法是水蒸氣處理或水熱處理。提高木材塑性的方法還有添加增塑劑，使高分子的分子間結(jié)合力減弱，使得塑性變形易于發(fā)生。應(yīng)該注意的是，木材的所謂“塑性”有別于其它塑性材料。通常的塑性材料，在外力去除后，形狀并不隨外力的去除而發(fā)生改變，而殘留了變形，且這個(gè)變形一般不隨溫度、濕度等外部條件的變化而改變，所以被稱為永久變形。木材的“塑性”則表現(xiàn)為在外力去除后的一段時(shí)間內(nèi)形狀或變形不發(fā)生改變，外力施加的能量被木材的結(jié)合機(jī)構(gòu)（在外力施加時(shí)所形成的一些氫鍵結(jié)合）所束縛，即木材細(xì)胞壁骨架物質(zhì)纖維素因被迫變形所積蓄的彈性能量無(wú)法釋放，其變形被暫時(shí)固定，這時(shí)木材處于一種穩(wěn)態(tài)，于是被認(rèn)為是具有了一個(gè)塑

29、性變形，但實(shí)際上這種穩(wěn)態(tài)需要一個(gè)“外界條件也不發(fā)生變化”的前提才能夠維持下去。一旦外界條件發(fā)生了變化，如溫度升高、含水率加大時(shí)，木材內(nèi)部活性化學(xué)基團(tuán)的活動(dòng)程度和連接方式將發(fā)生改變，一些氫鍵結(jié)合被打開(kāi)，導(dǎo)致木材構(gòu)造移動(dòng)或改變，這時(shí)原先被固定住的能量隨結(jié)構(gòu)的松動(dòng)而被釋放，木材細(xì)胞壁纖維素的彈性恢復(fù)，在木材內(nèi)部產(chǎn)生恢復(fù)其原有形狀的力的作用，使木材現(xiàn)存的變形反向變化，在宏觀上就表現(xiàn)為木材的變形逐漸回復(fù)、消失。所以，一般情況下（如壓縮后如干燥變形固定）木材的“塑性”是相對(duì)的、有條件的、非永久性的。只有采用化學(xué)處理、水熱處理、水蒸氣處理等方式或者消除木材的內(nèi)部應(yīng)力、或者使分子基團(tuán)間產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)合、高凝聚態(tài)結(jié)

30、合等穩(wěn)定的結(jié)合，才有可能使木材的變形達(dá)到永久固定的目的。8.3.3.3 木材塑性的應(yīng)用 木材的塑性在有些場(chǎng)合會(huì)發(fā)揮積極的作用。干燥時(shí)，木材由于不規(guī)則干縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)破壞其組織的內(nèi)聚力，而塑性的產(chǎn)生可以抵消一部分木材的內(nèi)應(yīng)力。在木材橫紋壓縮變形的定型處理中，通常以高溫和高濕條件保持住木材的形變，正是利用了溫度和含水率對(duì)木材塑性變形的影響。在微波加熱彎曲木材處理時(shí)，會(huì)使木材的基體物質(zhì)塑化，使其變形增加到原彈性變形的30倍，產(chǎn)生連續(xù)而又平滑的顯著變形，而不出現(xiàn)彎曲壓縮側(cè)微細(xì)組織的破壞，是木材塑性增大的一個(gè)典型實(shí)例。8.4 木材的強(qiáng)度、韌性與破壞8.4.1 木材的強(qiáng)度強(qiáng)度是材料抵抗所施加應(yīng)力而不致

31、破壞的能力，如抵御拉伸應(yīng)力的最大臨界能力被稱為抗拉強(qiáng)度，抵御壓縮應(yīng)力的最大臨界能力稱為抗壓強(qiáng)度，抵御被彎曲的最大臨界能力被稱為抗彎強(qiáng)度等。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了材料的某項(xiàng)強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)破壞。強(qiáng)度以N/mm2（=MPa）為單位，表示單位截面積上材料的最大承載能力。木材是各向異性的高分子材料，又易受環(huán)境因素影響，其強(qiáng)度因所施加應(yīng)力的方式和方向的不同而改變。根據(jù)所施加應(yīng)力的方式和方向的不同，木材具有順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等多項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，其具體試驗(yàn)方法和變化規(guī)律可詳見(jiàn)本章第5節(jié)。木材強(qiáng)度的各種影響因素將在本章第6節(jié)具體論述。8.4.2 木材的韌性韌性是指材料在不致破壞的情況下所

32、能抵御的瞬時(shí)最大沖擊能量值。韌性以KJ/m2為單位。材料的韌性越大，則被擴(kuò)展出一個(gè)裂隙乃至破壞所需的能量越高，同時(shí)，達(dá)到破壞之前所能承受的應(yīng)變值也越大。韌性材料往往是強(qiáng)度大的材料，但也有許多實(shí)例說(shuō)明這兩個(gè)參數(shù)并無(wú)因果關(guān)系。例如，陶瓷等強(qiáng)度很大的材料，卻表現(xiàn)很脆（在很小的應(yīng)變條件下就會(huì)破壞；在受到?jīng)_擊力作用時(shí)容易破壞即缺乏韌性），而有些韌性材料，例如鋁，能夠承受很大的應(yīng)變而不致斷裂，卻天生強(qiáng)度就很弱。因此，雖然強(qiáng)度和韌性最終都會(huì)達(dá)到被破壞的水平，但二者所表述的概念不同，應(yīng)避免混淆。木材是具有一定韌性的材料，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中采用沖擊韌性參數(shù)來(lái)表征其韌性，詳見(jiàn)本章第5節(jié)。8.4.3 木材的破壞8.4.3

33、.1 破壞 對(duì)于木材，其結(jié)構(gòu)破壞是指其組織結(jié)構(gòu)在外力或外部環(huán)境作用下發(fā)生斷裂、扭曲、錯(cuò)位，而使木材宏觀整體完全喪失或部分喪失原有物理力學(xué)性能的現(xiàn)象。破壞是木材作為建筑材料在安全設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)重要因素。木材的強(qiáng)度超過(guò)極限應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)破壞。除了日常生活中常見(jiàn)的災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)破壞，木材還有許多微（內(nèi)部）破壞，如木材干燥時(shí)出現(xiàn)的皺裂、干裂；伐倒木出現(xiàn)的壓裂；防腐加壓浸注時(shí)的紋孔破裂等。破裂會(huì)關(guān)系到木材的強(qiáng)度或浸注性等。8.4.3.2 木材破壞的原因 木材細(xì)胞壁主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素組成。纖維素賦予木材彈性和強(qiáng)度；木質(zhì)素為不定型物質(zhì)，賦予木材硬度和剛性；在細(xì)胞壁起填充和部分膠著作用的是半纖維

34、素，它賦予木材剪切強(qiáng)度。纖維素鏈狀分子順著細(xì)胞壁的長(zhǎng)軸平行排列，橫向以氫鍵結(jié)合構(gòu)成微纖絲，微纖絲側(cè)面之間除通過(guò)氫鍵結(jié)合，局部尚以果膠質(zhì)膠著。細(xì)胞壁與細(xì)胞壁之間靠胞間質(zhì)膠著。木材橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)低于縱向自身的聯(lián)接強(qiáng)度。因此，從細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)來(lái)看，木材發(fā)生破壞的原因是微纖絲和纖維素骨架的填充物的撕裂，或纖維素骨架的填充物的剪切，或纖維被壓潰所引起。任何條件對(duì)木材破壞的決定性作用都取決于應(yīng)力狀態(tài)的類型。單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點(diǎn)8.4.4.1順紋壓縮順紋壓縮破壞的宏觀征狀：肉眼見(jiàn)到的最初現(xiàn)象是橫跨側(cè)面的細(xì)線條，隨著作用力加大，變形隨之增加，材面上開(kāi)始出現(xiàn)皺褶。破壞線與主軸的傾角常取決

35、于木材密度，密度大，傾角小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果櫟木為57、松木為59.5、云杉為70、冷杉為84.5。破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見(jiàn)，破壞一般出現(xiàn)在木材荷載與之接觸的地方，是由應(yīng)力集中引起的。干的木材通常在未發(fā)生任何明顯扭曲之前，產(chǎn)生劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂，而非木射線與鄰接的構(gòu)造分子之間的分離。而干燥的硬材僅發(fā)生剪切破壞，不會(huì)發(fā)生端部壓皺現(xiàn)象，這是由于應(yīng)力集中的現(xiàn)象比軟材小得多，并且由于空隙度小、強(qiáng)度大的解剖分子比軟材多，不易壓皺。中等硬度的木材破壞，有時(shí)端部壓潰，有時(shí)產(chǎn)生剪切破壞。連續(xù)破壞線一般出現(xiàn)于弦面，因?yàn)槟静膹角忻鎰傂源笥谙仪忻?/p>

36、，這主要是木射線在徑切面為骨架，起支撐作用，以及微纖絲在細(xì)胞壁徑切面與木射線相交，產(chǎn)生局部扭轉(zhuǎn)對(duì)剪切面方位造成了影響。徑向壓縮制成的壓縮木，當(dāng)順紋壓縮破壞時(shí)，剪切出現(xiàn)在徑切面上。弦向壓縮制成的壓縮木，順紋加壓破壞時(shí)，剪切仍出現(xiàn)在弦切面上。因此，射線被壓皺會(huì)引起順紋理加壓破壞時(shí)剪切面發(fā)生轉(zhuǎn)向。順紋壓縮破壞的微觀特征：最先在纖維細(xì)胞壁上產(chǎn)生單一錯(cuò)位的裂紋狀細(xì)線，稱滑移線或滑移面，隨著壓力加大，變形隨之增加，這些細(xì)線紋越來(lái)越多，直到它們形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)紋為止，這個(gè)過(guò)程屬于初期破壞。隨后在細(xì)胞壁這些細(xì)線紋地方產(chǎn)生剪切破壞，剪切破壞多了，整個(gè)細(xì)胞壁便扭曲。受壓的皺痕使整個(gè)破壞區(qū)的細(xì)胞壁都扭曲。扭曲是木材

37、纖維受力后彎曲而偏離原軸線，但纖維間仍保持彼此平行。它是木材受壓破壞后厚壁細(xì)胞的特征。到破壞后期，早材細(xì)胞常發(fā)生扭曲，以適應(yīng)木材破壞的外形。對(duì)于馬尾松、落葉松等早晚材急變的針葉樹(shù)材，或硬闊葉樹(shù)環(huán)孔材等，因致密的晚材細(xì)胞壁能承受更大的壓縮載荷而未發(fā)生明顯變化，這類木材的破壞形式是早材細(xì)胞的扭曲。8.4.4.2橫紋壓縮木材是一種多孔性天然彈、塑性的高分子材料，在一定條件下可以不破壞其結(jié)構(gòu)，而塑化壓縮密實(shí)，以提高密度和改善其物理、力學(xué)性質(zhì)。木材橫紋壓縮是指作用力方向與木材紋理方向相垂直的壓縮。木材進(jìn)行壓縮時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是一條非線性的曲線，以往學(xué)者們認(rèn)為需分為常規(guī)型和三段型兩種類型。常規(guī)型是散孔材橫

38、壓時(shí)的特征，為不具平臺(tái)的連續(xù)曲線。三段型是針葉樹(shù)材和闊葉樹(shù)材環(huán)孔材徑向受壓時(shí)的特征曲線，應(yīng)力應(yīng)變曲線具有三個(gè)不同的區(qū)域，這3個(gè)區(qū)域具有不同的斜率，第一個(gè)區(qū)域?yàn)樵绮牡膹椥郧€；第二個(gè)區(qū)域是早材壓損過(guò)程曲線；第三個(gè)區(qū)域是晚材的彈性曲線。弦向受壓時(shí)，不出現(xiàn)3段式曲線。圖8-8 飽水100、無(wú)約束條件下的木材橫紋壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖劉一星、則元京等通過(guò)大量研究證實(shí)，上述木材橫紋壓縮變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的描述存在一定不足。他們采用很寬密度范圍（0.11.3g/cm3）的木材為試樣，分別在氣干20、飽水20和飽水100條件下進(jìn)行橫紋大變形范圍的壓縮實(shí)驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)數(shù)據(jù)分析后提出

39、，當(dāng)木材受到橫紋方向的大變形范圍壓縮的情況下，可由屈服點(diǎn)應(yīng)變和細(xì)胞壁壓密化臨界應(yīng)變（即壓縮過(guò)程中細(xì)胞腔完全被填充而消失時(shí)刻的應(yīng)變），將應(yīng)力應(yīng)變曲線為三個(gè)階段，即細(xì)胞發(fā)生微小變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例直線上升的彈性變形領(lǐng)域（）；在越過(guò)屈服點(diǎn)之后較寬的變形范圍，細(xì)胞逐漸被壓潰，胞壁發(fā)生向腔內(nèi)塌陷的彎曲和壓屈變形，應(yīng)變迅速增大而應(yīng)力僅略有增加的應(yīng)力應(yīng)變曲線平坦領(lǐng)域（）；壓縮進(jìn)行至細(xì)胞腔被完全充填、細(xì)胞壁相互接觸、細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)物質(zhì)開(kāi)始被壓縮時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大的領(lǐng)域。對(duì)于不同樹(shù)種的木材，橫紋壓縮的應(yīng)力應(yīng)變特性曲線一般都不同程度地具有這樣的三段特征（見(jiàn)圖8-8），而且橫紋壓縮過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系可

40、用下式定量表達(dá)：當(dāng)，當(dāng)， （8-12）式中：E為橫紋方向的彈性模量；為屈服點(diǎn)應(yīng)力；為屈服點(diǎn)應(yīng)變；為細(xì)胞壁壓密化鄰界應(yīng)變；C為表示屈服點(diǎn)后應(yīng)力增大速率的參數(shù)；分別為木材密度和木材細(xì)胞壁物質(zhì)密度；K為由壓縮試驗(yàn)的約束條件等因子所決定的常數(shù)，0K1。木材橫紋壓縮時(shí)，宏觀變化首先是纖維受壓變緊密。局部橫壓時(shí)，承受板凹陷入木材，木材與承受板接觸部分的纖維破壞，遠(yuǎn)離承受板的纖維未受影響。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，試件未受壓的端部會(huì)突出，或呈水平劈裂。木材橫壓時(shí)的顯微變化主要是細(xì)胞的橫截面變形，若施加的壓縮載荷足夠大時(shí)，這種變形將繼續(xù)擴(kuò)大，直至載荷超過(guò)木材的彈性極限后，木材外部纖維及其鄰接纖維潰壞，并變得緊密，產(chǎn)生

41、永久變形。外部纖維破壞最大，也壓得最緊密。橫壓試件由外向內(nèi)纖維遭受的破壞和被壓程度順次變小。木材這種重新分配應(yīng)力和吸收能量的功能，對(duì)于承壓墊板，特別是木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)處尤為重要。在用螺栓、齒板等鋼構(gòu)件將木構(gòu)件相互聯(lián)結(jié)在一起的場(chǎng)合，常用來(lái)傳遞構(gòu)件的內(nèi)力。8.4.4.3順紋拉伸木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲之間的剪切。微纖絲縱向結(jié)合非常牢固，所以順紋拉伸時(shí)的變形不大，通常應(yīng)變值小于1%3%，強(qiáng)度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強(qiáng)度也未能充分發(fā)揮，因?yàn)槟静牡睦w維會(huì)在微纖絲之間撕開(kāi)。木材順紋剪切強(qiáng)度特別低，通常只有順紋抗拉強(qiáng)度的6%10%。順紋拉伸時(shí)，微纖絲之間產(chǎn)生滑移使微纖絲撕裂

42、破壞，其破壞斷面通常呈鋸齒狀、細(xì)裂片狀或針狀撕裂。其斷面形狀的不規(guī)則程度，取決于木材順拉強(qiáng)度和順剪強(qiáng)度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強(qiáng)度較弱的部位剪切開(kāi)，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。腐朽材和熱帶脆心材，兩者比值較小，且由于腐朽所產(chǎn)生的酸質(zhì)使纖維素解聚，對(duì)大氣濕度敏感性增加，這兩個(gè)因素大大削弱了木材的順拉強(qiáng)度，微纖絲少量出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，而造成拉斷破壞，斷面處常較為平整，木茬較短。8.4.4.4橫紋拉伸木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。橫紋拉伸除了徑向受拉時(shí)，木射線細(xì)胞的微纖絲受軸向拉伸外，其余細(xì)胞的微纖絲都受垂直方向的拉伸。木射線只占木材體積的7%12%，該組織的細(xì)胞壁較薄，所以徑向拉伸

43、時(shí)參與軸向拉伸的微纖絲數(shù)量比順紋拉伸時(shí)少得多。此外，細(xì)胞壁膠著物的抗拉強(qiáng)度對(duì)木材的橫拉強(qiáng)度起主要作用，膠著物的抗拉強(qiáng)度很低。所以木材的橫紋拉伸強(qiáng)度很低，只有順紋拉伸強(qiáng)度的1/351/65。由此可知，木材在徑向和弦向拉伸時(shí)的強(qiáng)度差，取決于木材密度及射線的數(shù)量與結(jié)構(gòu)。針葉材和環(huán)孔材弦向拉伸時(shí)，參與拉伸的微纖絲數(shù)量比徑向拉伸時(shí)多，這是因?yàn)閺较蚶鞎r(shí)應(yīng)力集中在早材部分。散孔材參與橫向拉伸的微纖絲不論在徑向或弦向都是一樣的，但這些樹(shù)種的木材在徑向拉伸時(shí)還有參與軸向拉伸的微纖絲。其中散孔材徑向拉伸的強(qiáng)度大于弦向。木材受橫拉破壞時(shí)，壁薄的細(xì)胞被縱向撕裂，壁厚的細(xì)胞常沿著初生壁拉開(kāi)。因此，在任何木結(jié)構(gòu)的部件中

44、都要盡量避免產(chǎn)生橫紋拉應(yīng)力，因?yàn)槟静臋M紋拉伸的抗拉強(qiáng)度特別低，且木材在干燥過(guò)程中往往發(fā)生開(kāi)裂，從而導(dǎo)致木材橫紋拉伸的抗拉強(qiáng)度更低。8.4.4.5順紋剪切按剪切力與木材紋理方向之間的關(guān)系，可分為順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見(jiàn)的為順紋剪切，又分為弦切面和徑切面。木材順紋剪切的破壞特點(diǎn)是木材纖維在平行于紋理的方向發(fā)生了相互滑移。弦切面的剪切破壞（剪切面平行于生長(zhǎng)輪）常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑移，破壞表面較光滑，但略有起伏，帶有細(xì)絲狀木毛。徑切面剪切破壞（剪切面垂直于年輪），其表面較粗糙，不均勻且無(wú)明顯木毛，在放大鏡下，可觀察到早材的一些星散區(qū)域上帶有細(xì)木毛。在顯微鏡下觀察，順

45、紋剪切破壞在晚材中剪切產(chǎn)生于細(xì)胞壁之間，而在較輕的木材中產(chǎn)生于早材細(xì)胞的細(xì)胞壁本身，最初在細(xì)胞壁上出現(xiàn)的細(xì)裂紋與細(xì)胞長(zhǎng)軸成一定角度，與拉伸破壞的裂紋一樣。這些裂紋逐漸增寬，直到細(xì)胞壁完全撕裂，只剩下一些細(xì)絲存在于裂縫中，也就是最后可在弦面上看到的細(xì)絲狀木毛。8.5 木材主要力學(xué)性能指標(biāo)木材的主要力學(xué)性能指標(biāo)被根據(jù)外力作用的種類、載荷、加載速度等，按如下名稱劃分：根據(jù)外力種類劃分有：壓縮強(qiáng)度（包括順紋抗壓強(qiáng)度，橫紋抗壓強(qiáng)度，局部抗壓強(qiáng)度）、拉伸強(qiáng)度（包括順紋抗拉強(qiáng)度，橫紋抗拉強(qiáng)度）、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、抗劈力等。按加載速度和作用方法劃分有：靜態(tài)強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、

46、蠕變強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度靜態(tài)試驗(yàn)指按一定速度（加載速度或變形速度）緩慢施加外力的試驗(yàn)。該強(qiáng)度叫做靜態(tài)強(qiáng)度，是判定和評(píng)價(jià)材質(zhì)的基本數(shù)據(jù)。8.5.1.1順紋抗壓強(qiáng)度順紋抗壓強(qiáng)度指平行于木材纖維方向，給試件全部加壓面施加載荷時(shí)的強(qiáng)度。順紋抗壓試驗(yàn)遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB193591木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行，試件斷面徑、弦向尺寸為2020mm，高度為30mm。計(jì)算公式： （8-13）式中，Pmax為最大載荷（N），b、t為試件寬度、厚度（mm）。我國(guó)木材的順紋抗壓強(qiáng)度平均值為45MPa，順紋比例極限與強(qiáng)度的比值約為0.70，針葉樹(shù)材該比值約為0.78；軟闊葉樹(shù)材為0.70，硬闊葉樹(shù)材為0.66。木材的順紋抗壓強(qiáng)

47、度一般是其橫紋抗壓強(qiáng)度的515倍，約為順紋抗拉強(qiáng)度的50%。8.5.1.2橫紋抗壓強(qiáng)度橫紋抗壓強(qiáng)度指垂直于纖維方向，給試件全部加壓面施加載荷時(shí)的強(qiáng)度。橫紋抗壓試件尺寸為：全部受壓202030mm，局部受壓202060mm。計(jì)算公式：全部橫壓 （8-14）式中，P為比例極限載荷（N），b為試件寬度（mm），L為試件長(zhǎng)度（mm）。局部橫壓 （8-15）式中， P為比例極限載荷（N），b為試件寬度（mm），t為壓板寬度（mm）。上兩式中，橫紋壓縮不能明確地判別出最大應(yīng)力，通常用比例極限荷重P代替式中的最大荷重Pmax進(jìn)行計(jì)算。比例極限荷載P需從荷載應(yīng)變圖上確定。木材的局部橫紋壓縮比例極限應(yīng)力高于全部

48、橫紋壓縮比例極限應(yīng)力。同時(shí)，局部橫壓應(yīng)用范圍較廣，如枕木等。橫紋壓縮根據(jù)年輪走向，加壓面分為徑切面、弦切面及混切面。圖8-9 不同方向壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變圖圖8-9是順紋壓縮、橫紋不同切面壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。徑向壓縮時(shí)彈性領(lǐng)域和塑性領(lǐng)域的界線有明顯的屈服點(diǎn)，隨著進(jìn)一步壓密，細(xì)胞空隙部的變形逐漸減小，應(yīng)力再次急劇增加。弦向和側(cè)向壓縮時(shí)彈性領(lǐng)域和塑性領(lǐng)域的界線和屈服點(diǎn)都不明顯，前者產(chǎn)生彎曲壓曲（縱向壓曲），后者早材部產(chǎn)生滑動(dòng)壓曲。橫向壓縮加壓方向與強(qiáng)度的關(guān)系是：針葉材徑向弦向側(cè)向，闊葉材徑向弦向側(cè)向，其比率因樹(shù)種而異。局部壓縮時(shí)，與加壓板接觸的附近應(yīng)力分布復(fù)雜，并受壓縮材余長(zhǎng)的影響。因此與起端部加

49、壓相比，中央加壓時(shí)的比例極限應(yīng)力大?？估瓘?qiáng)度根據(jù)拉伸應(yīng)力的加載方向有順紋抗拉強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度之分。順紋拉伸往往發(fā)生滑移、壓碎等，實(shí)驗(yàn)有一定困難。因此，試件兩端被夾緊部位的截面積遠(yuǎn)大于擬被拉斷的部位（見(jiàn)圖8-10）。順紋和橫紋抗拉強(qiáng)度均采用如下公式計(jì)算： （8-16）式中，Pmax為最大載荷（N），t、b為試件厚度、寬度（mm）。8.5.2.1順紋抗拉強(qiáng)度圖8-10 順紋拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣1. 試樣； 2. 木夾墊； 3. 木螺釘木材順紋抗拉的試件制作遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB193891木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法，形狀及尺寸見(jiàn)圖8-10，目的是使試件的中部局部削弱，確保試件產(chǎn)生拉伸破壞。順紋抗拉強(qiáng)度是木

50、材的最大強(qiáng)度，約兩倍于順紋抗壓強(qiáng)度，1240于橫紋抗壓強(qiáng)度，1016倍于順紋抗剪強(qiáng)度。木材順紋抗拉強(qiáng)度取決于木材纖維或管胞的強(qiáng)度、長(zhǎng)度及方向。纖維長(zhǎng)度直接涉及微纖絲與軸向的夾角（纖絲角），纖維越長(zhǎng)，纖絲角越小，則強(qiáng)度越大。密度大者，順紋抗拉強(qiáng)度也大。8.5.2.2橫紋抗拉強(qiáng)度木材抵抗垂直于紋理拉伸的最大應(yīng)力稱為橫紋抗拉強(qiáng)度。木材橫紋抗拉強(qiáng)度的值通常很低，且在干燥過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致木材橫紋抗拉強(qiáng)度完全喪失。因此，在任何木結(jié)構(gòu)部件中都要盡量避免產(chǎn)生橫紋拉伸應(yīng)力。橫紋抗拉強(qiáng)度值很低，通常僅為順紋抗拉強(qiáng)度的1/101/65。由于橫紋抗拉強(qiáng)度不很重要，且使用較少，這里不介紹實(shí)驗(yàn)方法和影響因素。有

51、時(shí)，橫紋抗拉強(qiáng)度可以作為預(yù)測(cè)木材干燥時(shí)開(kāi)裂易否的重要指標(biāo)?？箯潖?qiáng)度與抗彎彈性模量木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量是木材最重要的力學(xué)指標(biāo)。前者常用以推測(cè)木材的容許應(yīng)力，后者常用以計(jì)算構(gòu)件在荷載下的變形。圖8-11 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)裝置1. 試機(jī)壓頭； 2. 試機(jī)支座； 3. 試樣； 4. 鋼墊片8.5.3.1抗彎強(qiáng)度 木材的抗彎強(qiáng)度亦稱靜曲極限強(qiáng)度，為木材承受橫向荷載的能力。由于抗彎強(qiáng)度的容易測(cè)試以及在實(shí)際應(yīng)用上的重要性，所以在材質(zhì)判定中使用最多。順紋抗拉強(qiáng)度測(cè)試遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1936.191木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法，試驗(yàn)裝置如圖8-11所示。試件尺寸為2020300mm，支座跨距為240mm，抗彎強(qiáng)度采用

52、中央加荷作弦向彎曲，計(jì)算公式為： （8-17）式中，Pmax為最大載荷（N），L為兩支座距離（mm），b為試件寬度（mm），h為試件高度（mm）。木材抗彎強(qiáng)度介于順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度之間，各樹(shù)種的平均值約為90MPa左右，針葉樹(shù)材中最大的為長(zhǎng)苞鐵杉122.7MPa，最小的為柳杉53.2MPa；闊葉樹(shù)材中最大的為海南子京183.1MPa，最小的為蘭考泡桐28.9MPa。徑向和弦向抗彎強(qiáng)度間的差異主要表現(xiàn)在針葉樹(shù)材上，弦向比徑向高出10%12%；闊葉樹(shù)材兩個(gè)方向上差異一般不明顯。8.5.3.2抗彎彈性模量 木材抗彎彈性模量代表木材的勁度或彈性，是木材產(chǎn)生一個(gè)一致的正應(yīng)變所需要的正應(yīng)力，亦即比

53、例極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力。木梁在承受荷載時(shí)，其變形與其抗彎彈性摸量成反比，木材的抗彎彈性模量值越大，則越剛硬，越不易發(fā)生彎曲變形；反之，則比較柔曲。順紋抗彎彈性模量測(cè)試遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1936.291木材抗彎彈性模量試驗(yàn)方法，試驗(yàn)裝置如圖8-12。圖8-12 抗彎彈性模量試驗(yàn)裝置1. 百分表架； 2. 試樣； 3. 百分表試件尺寸為2020300mm，支座跨距為240mm，采用離支座各1/3處兩點(diǎn)加荷作弦向彎曲，計(jì)算公式為： （8-18）式中，P為上、下限荷載之差（N），L為兩支座距離（mm），b為試件寬度（mm），h為試件高度（mm），f為上、下限荷載間試件中部的撓度（mm）。由于各向異性

54、，木材三個(gè)方向的抗彎彈性模量不同，通常徑向及弦向僅為順紋的1/201/12。對(duì)于木梁而言，順紋抗彎彈性摸量最為重要。針葉樹(shù)材中順紋抗彎彈性摸量最大的為落葉松14.5GPa，最小的為云杉6.2GPa；闊葉樹(shù)材中最大的為蜆木21.1GPa，最小的為蘭考泡桐4.2GPa。8.5.3.3木材抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量的關(guān)系 柯病凡根據(jù)356個(gè)樹(shù)種在含水率15%時(shí)的木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，發(fā)現(xiàn)二者之間存在著密切的線性相關(guān)性，并得出關(guān)系式： （相關(guān)系數(shù)r=0.84） （8-19）這種相關(guān)對(duì)于建筑用材的應(yīng)力分級(jí)具有一定的實(shí)用意義。因?yàn)榭箯潖椥阅Ａ吭跍y(cè)定時(shí)常需要比較靈敏的儀表，又費(fèi)時(shí)，所以為了簡(jiǎn)便，可用上式由抗彎強(qiáng)度計(jì)算預(yù)估抗彎彈性模量，以滿足需要?？辜魪?qiáng)度和扭曲強(qiáng)度8.5.4.1順紋抗剪強(qiáng)度當(dāng)木材受大小相等、方向相反的平行力時(shí)，在垂直于力接觸面的方向上，使物體一部分與另一部分產(chǎn)生滑移所引起的應(yīng)力，稱為剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力的作用使