第八章木材的力學(xué)性質(zhì)

會計學(xué)1第八章木材的力學(xué)性質(zhì)

簡單應(yīng)力中，當(dāng)壓力方向平行于紋理作用于短柱上時，則產(chǎn)生順紋壓應(yīng)力。當(dāng)在同一直線上兩個方向相反，平行于木材紋理的外力作用于木材時，則產(chǎn)生順紋拉伸應(yīng)力。當(dāng)平行于木材紋理的外力作用于木材，欲使其一部分與他它由內(nèi)在聯(lián)結(jié)的另一部分相脫離，會產(chǎn)生順紋剪應(yīng)力。當(dāng)作用力與木材紋理相垂直時，木材上則會產(chǎn)生橫紋的壓、拉、剪應(yīng)力或剪斷應(yīng)力。橫紋應(yīng)力又有徑向和弦向之分。同一木材受力的性質(zhì)和方向不同，應(yīng)力和應(yīng)變值亦各不相同。一、基本概念（一）彈性和塑性1.彈性(elasticity)—物體在卸除發(fā)生變形的載荷后，恢復(fù)其原有形狀、尺寸或位置的能力。2.塑性(plasticity)—物體在外力作用下，當(dāng)應(yīng)變增長的速度大于應(yīng)力增長的速度，外力消失后木材產(chǎn)生的永久殘留變形部分，即為塑性變形，木材的這一性質(zhì)稱塑性。第1頁/共46頁

圖9—1為杉木彎曲時的應(yīng)力—應(yīng)變圖。木材在比例極限應(yīng)力下可近似看作彈性，在這極限以上的應(yīng)力就會產(chǎn)生塑性變形或發(fā)生破壞。直線部分的頂點(diǎn)a為比例極限，從a到b雖不是直線，但屬彈性范圍，b點(diǎn)為彈性極限。a、b兩點(diǎn)非常接近，一般不加區(qū)分。a應(yīng)變（%）圖9-1杉木彎曲時應(yīng)力與應(yīng)變圖解應(yīng)力（MPa）b比例極限彈性極限破壞第2頁/共46頁（二）柔量(compliance)和模量(modulus)

在彈性極限范圍，大多數(shù)材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間存在著一定的指數(shù)關(guān)系：

—應(yīng)變—應(yīng)力實(shí)踐證明，木材的n=1，因此上式可寫成：

а—柔量α—為應(yīng)力、應(yīng)變曲線的直線部分與水平軸的夾角。柔量的倒數(shù)а-1，即為彈性模量E，簡稱模量。彈性模量E(modulusofelasticity)—在彈性極限范圍內(nèi)，物體抵抗外力改變其形狀或體積的能力。它是材料剛性的指標(biāo)。木材的拉伸、壓縮和彎曲模量大致相等，但壓縮的彈性極限比拉伸的要低得多。第3頁/共46頁二、分類（一）按力學(xué)性質(zhì)分1.強(qiáng)度(strength)—是抵抗外部機(jī)械力破壞的能力。2.硬度(hardness)—是抵抗其它剛性物體壓入的能力。3.剛性(rigidity)—是抵抗外部機(jī)械力造成尺寸和形狀變化的能力。4.韌性(toughness)—是木材吸收能量和抵抗反復(fù)沖擊載荷，或抵抗超過比例極限的短期應(yīng)力的能力。（二）按載荷形式分1.靜力載荷（statictestload）是緩慢而均勻的施載形式。木材強(qiáng)度測試除沖擊外，都為靜力載荷；膠合板在熱壓機(jī)中的加載形式也屬靜力載荷。2.沖擊載荷（shockload）集中全部載荷在瞬間猛擊的施載形式。如鍛錘機(jī)下墊木所承受的載荷形式。第4頁/共46頁3.振動載荷依次改變力的大小和方向的一種載荷形式。如枕木在鐵軌下承受的載荷形式。4.長期載荷（long-periodload）力作用時間相當(dāng)長的一種施載形式。如木屋架、木梁和木柱的承載形式。（三）按作用力的方式分有拉伸（tension）、壓縮（conpression）、剪切（shearing）、彎曲（bending;curve）、扭轉(zhuǎn)（twist）及縱向彎曲（longitudinalbending）等。（四）按作用力的方向分有順紋（alongthegrain）和橫紋（acrosstothegrain）。橫紋又分為徑向（radial）和弦向（tangential）。（五）按工藝要求分1.抗劈力（cleavageability）是木材在尖削作用下，抵抗沿紋理方向劈開的能力。它與木材加工時劈開難易、握釘牢度和切削阻力等都有密切的關(guān)系。第5頁/共46頁2.握釘力（nail-holdingability）是木材抵抗釘子拔出的能力。它的大小取決于木材與釘子間的摩擦力、木材含水率、密度、硬度、彈性、紋理方向、釘子種類及與木材接觸狀況等。3.彎曲能力（bendingability）是指木材彎曲破壞前的最大彎曲能力?？梢杂们拾霃降拇笮矶攘俊Ｋc樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等有關(guān)。4.耐磨性（abrasionofwood）是木材抵抗磨損的能力。木材磨損是在表面受摩擦、擠壓、沖擊和剝蝕等，以及這些因子綜合作用時，所產(chǎn)生的表面化過程。第6頁/共46頁第二節(jié)木材的正交異向性和彈性一、木材的正交異向性（一）概述木材是天然生長的生物材料，由于組織構(gòu)造的因素決定了木材的各向異性（anisotropy）。

木材的圓柱對稱性—由于樹干包括許多同心圓的年輪層次，所以賦予木材圓柱對稱性（近似的），即從圓心到外徑，各個同心圓層次上的木材微單元的性質(zhì)是相同的（彈性、強(qiáng)度、熱、電性質(zhì)等）。同時，由于組成木材的絕大多數(shù)細(xì)胞和組織是平行樹干呈軸向排列的，而射線組織是垂直于樹干呈徑向排列的；另外構(gòu)成木材細(xì)胞壁的各層，其微纖絲的排列方向不同；以及纖維素的結(jié)晶為單斜晶體等，使木材成為柱面對稱的正交異向性材料。（如物理性質(zhì)干縮、濕脹、擴(kuò)散、滲透等和力學(xué)性質(zhì)如彈性、強(qiáng)度、加工性能等）。第7頁/共46頁（二）強(qiáng)度的異向性木材的強(qiáng)度根據(jù)方向和斷面的不同而異。壓縮、拉伸、彎曲和沖擊韌性等，當(dāng)應(yīng)力方向和纖維方向?yàn)槠叫袝r，其強(qiáng)度值最大，隨兩者間傾角變大，強(qiáng)度銳減。1.拉伸強(qiáng)度σt：σtl＜σtr＜

σtT

，即縱向遠(yuǎn)大于橫向，橫向中徑向大于弦向。2.壓縮強(qiáng)度σcp：σcpL＞＞σcpR＞

σcpT3.彎曲強(qiáng)度σb和沖擊韌性u

（1）σbR＞σbT

（2）①針葉材：uR

＞uT

；②闊葉材通常關(guān)系不定。4.剪切強(qiáng)度τ：τ∥/τ⊥=2.2~6.15.硬度H和磨損阻抗①HRT

＞HLT≥HLR，斷面大于弦面，弦面大于或等于徑面。同時，硬度的異向性隨密度增加而減少。②木材磨損量A越大，表示磨損阻抗越小。ALR≥ALT

＞ART6.抗劈力S：徑面和弦面的差異根據(jù)紋理通直性和射線組織的發(fā)達(dá)程度而異。第8頁/共46頁二、木材的正交對稱彈性木材的正交對稱彈性—將正交對稱原理應(yīng)用于木材，借以說明木材的彈性的各向異性。根據(jù)樹干解剖構(gòu)造，它有一個圓柱對稱性，在離髓心一定部位鋸取一個相切于年輪的立方體試樣。試樣有3個對稱軸，平行于縱向作L軸，平行于徑向作R軸，平行于弦向作T軸。它們彼此近似垂直，三軸中每兩軸可構(gòu)成一平面，分別為RT面（橫切面）、LR（徑切面）和LT（弦切面）。木材的正交對稱彈性是研究木材的物理性質(zhì)的一個基本的重要手段。相對三個主軸的應(yīng)力所表示的應(yīng)變的方程式如下：式中：E—楊氏模量或彈性模量；

u—泊松比（Poisson’sRations）=側(cè)向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比＜1。如：其中，第一個R代表應(yīng)力方向，第二個字母表示橫向應(yīng)變。即在徑向應(yīng)力下，縱向的泊松比。第9頁/共46頁木材正交異向性綜述如下：1.木材是高度異向性材料。拉伸、壓縮和彎曲的彈性模量E近似相等。三個主軸方向的E因顯微和超微構(gòu)造的不同而異：EL＞＞ER＞

ET2.木材的剪切模量G，橫斷面最?。篏LR

（徑面）＞GLT（弦面）＞

GRT（橫斷面）其中，GLR≈ER,GLT≈ET,即徑面和弦面的剪切模量分別與徑向和弦向的彈性模量數(shù)值相近。3.木材的彈性E和剪切G，均隨密度的增加而增加。4.木材的泊松比均小于1，且有uRT＞uLT＞

uLR。第10頁/共46頁

第三節(jié)木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）一、基本概念1.木材的彈性(elasticityofwood)—木材在受某一定應(yīng)力范圍內(nèi)的外力而變形，外力除去同時變形消失，回復(fù)原狀的性質(zhì)。2.木材的塑性(plasticityofwood)—木材在某些條件下，受外力后產(chǎn)生永久變形的性質(zhì)。塑性變形(plasticdeformation)—又稱殘余變形，指物體受外力發(fā)生變形，在外力解除后仍不能恢復(fù)的部分變形。3.木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）—木材（塑料）等高分子物在外力作用下表現(xiàn)出粘性和彈性兼有的性質(zhì)。當(dāng)其受到較長時間的外力作用時，就像極粘的液體出現(xiàn)粘性的變形。第11頁/共46頁二、木材的蠕變現(xiàn)象（creepphenomenonofwood）

蠕變(creep)：在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間的延長而逐漸增大的現(xiàn)象。（一）蠕變曲線（curveofcreep）木材屬高分子結(jié)構(gòu)材料，受外力作用時產(chǎn)生3種變形：1.瞬時彈性變形（instantelasticdeformation）：木材承載時，產(chǎn)生與加載速度相適應(yīng)的變形，它服從于虎克定律。2.彈性后效變形（粘彈性變形）（elasticaftereffectdeformation）：加載過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時間遞減的彈性變形。它是因纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成，這種變形是可逆的，與瞬時彈性變形相比它具有時間滯后性質(zhì)。3.塑性變形（plasticitydeformation）：纖維素分子鏈因載荷而彼此滑動所造成的變形。該變形是不可逆的。第12頁/共46頁木材的蠕變曲線如圖9—2所示：OA-----加載后的瞬間彈性變形AB-----蠕變過程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸載后的瞬間彈性回復(fù)，BC1==OAC1D----蠕變回復(fù)過程，

t↗→ε緩慢回復(fù)故蠕變AB包括兩個組分：彈性的組分C1C2——初次蠕變（彈性后效變形）剩余永久變形C2C3=DE——二次蠕變（塑性變形）t0t2t1時間（t）應(yīng)變（ε）BAOC1C2C3DE圖9—2木材的蠕變曲線第13頁/共46頁（二）建筑木構(gòu)件的蠕變問題1.針葉樹材在含水率不發(fā)生變化的條件下，施加靜力載荷小于木材比例極限強(qiáng)度的75%時，可以認(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，就可能產(chǎn)生蠕變，隨時間延長最終會導(dǎo)致破壞。2.靜載荷產(chǎn)生變形，若其變形速率（連續(xù)相等時間間隔內(nèi)變形的差值）逐漸降低，則變形經(jīng)一定時間后最終會停止，木結(jié)構(gòu)是安全的。相反，變形速率是逐漸增加的，則設(shè)計不安全，最終會導(dǎo)致破壞。3.所施靜載荷低于彈性極限，短期受載即卸載，能恢復(fù)其原具有的極限強(qiáng)度和彈性。4.含水率會增加木材的塑性和變形。5.溫度對蠕變有顯著的影響。當(dāng)空氣溫度和濕度增加時，木材的總變形和變形速度也增加。第14頁/共46頁三、木材的松弛（relaxationofwood）

松弛(stressrelaxation)—在應(yīng)變不變的條件下，應(yīng)力隨時間的增加而逐漸減少的現(xiàn)象。松弛曲線（relaxationcurve）—表示松弛過程的荷重（應(yīng)力）—時間曲線。木材的松弛曲線如圖9—3所示。松弛彈性模量—單位應(yīng)變的松弛應(yīng)力。方澤（1947）給出木材松弛表達(dá)式如下：式中：—在t時間時的應(yīng)力，隨時間的延長而下降；

—在單位時間內(nèi)的應(yīng)力；

m—松弛系數(shù)，隨樹種和應(yīng)力種類而不同。時間t應(yīng)力σ圖9—3應(yīng)力松弛曲線第15頁/共46頁四、長期載荷的影響（effectoflong-periodload）在長期載荷作用下的木材強(qiáng)度，隨作用時間的延長而減小，長期載荷強(qiáng)度遠(yuǎn)比瞬間強(qiáng)度小。這是由于木材中彈性和塑性兩種變形同時反應(yīng)的結(jié)果。短時間內(nèi)，在一定應(yīng)力范圍內(nèi)的變形，幾乎完全是彈性的。但在長期載荷下塑性已成為左右木材變形的更重要的因素。時間因素對木材的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。木材的持久強(qiáng)度（長期強(qiáng)度）σch—當(dāng)木材的應(yīng)力小于一定的極限時，木材不會由于長期受力而發(fā)生破壞的應(yīng)力極限。（1）當(dāng)σ＜σch時，載荷作用時間無論多長，試件均不會被破壞。（2）當(dāng)σ＞σch時，試件經(jīng)過一定時間后發(fā)生破壞。第16頁/共46頁五、木材的塑性(plasticityofwood)

木材作為承重結(jié)構(gòu)材使用時，設(shè)計應(yīng)力或荷重應(yīng)控制在彈性極限或蠕變極限范圍之內(nèi)，必須避免塑性變形的產(chǎn)生。但在彎曲木、壓縮木和人造板成型等加工時，又必須掌握增加木材塑性的條件，盡可能增加木材的塑性變形。（一）木材的塑性變形(plasticdeformationofwood)

當(dāng)施加于木材上的應(yīng)力在彈性極限以內(nèi)時，去除外力后變形回復(fù)原尺寸。當(dāng)超過彈性極限時，除去外力，殘留永久變形，這一性質(zhì)稱為塑性。固體材料的塑性變形產(chǎn)生于屈服點(diǎn)以上。對超過屈服點(diǎn)的應(yīng)力，以一定的變形速度進(jìn)行穩(wěn)定流動的狀態(tài)稱塑性流動。再，即使在極小的應(yīng)力作用下，經(jīng)過充分的時間，同樣也能產(chǎn)生流動，而形成永久變形，將這稱為粘性流動。木材同其它材料相比，特別是氣干材，因屈服點(diǎn)不明顯，且破壞變形也較小的緣故，所以一般認(rèn)為木材是塑性較小的材料。第17頁/共46頁（二）增加木材的塑性（improvingtheplasticityofwood）木材的塑性變形較小，在加工利用方面受到一定限制。典型的塑性變形在金屬等結(jié)晶材料上受熱承載后能明顯看到，由于晶格的轉(zhuǎn)位和滑移，可產(chǎn)生出數(shù)倍于常溫下的塑性變形，可利用于作壓延、拉伸、擠壓等塑性加工。木材是高分子材料，它的塑性是由于在應(yīng)力作用下，高分子的變形及相互間能產(chǎn)生相對移動的結(jié)果。在常溫下為了提高高分子材料的塑性，要添加可塑劑，使分子間結(jié)合力減弱。此外，通過加熱使木材基體物質(zhì)軟化，也能增加木材塑性，將材料的這類性質(zhì)稱為熱塑性。木素是熱塑性物質(zhì)，其熱軟化點(diǎn)在全干狀態(tài)下為127~193℃，在濕潤狀態(tài)下顯著降低，為77~128℃；半纖維素由于吸著水的存在，其熱化點(diǎn)的降低和木素有相似的情況。作為木材骨架物質(zhì)的纖維素的熱軟化點(diǎn)在232℃以上，其結(jié)晶性不受水分的影響，而纖維素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)隨含水率的增加而降低。第18頁/共46頁

對飽水狀態(tài)的木材，Hillis等發(fā)現(xiàn)在70~80℃和80~100℃呈兩個連續(xù)的熱軟化點(diǎn)似的溫度域，認(rèn)為前者是半纖維素的，后者相當(dāng)于木素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)。木材在濕潤狀態(tài)下加熱時，有顯著軟化的可能性。（日）飯?zhí)锏戎赋觯喝绨褮飧蔂顟B(tài)20℃時的木材彈性模量作為1，飽水狀態(tài)20℃時就為0.52，飽水狀態(tài)100℃就為0.09，彈性模量隨溫度和水分增加而明顯降低。所以木材的破壞變形隨溫度和水分增加而明顯增加，說明溫度和水分是增加木材塑性的重要因素。第19頁/共46頁第四節(jié)單軸應(yīng)力下木材的變形特點(diǎn)一、胞壁化學(xué)組分在木材力學(xué)性質(zhì)中的作用（thechemicalcompositionofcellwalleffectthemechanicalproperties）木材胞壁中的骨架物質(zhì)纖維素賦予木材彈性和強(qiáng)度。木素為硬固物質(zhì)，賦予木材硬度和剛性。在細(xì)胞壁中起填充和部分膠著作用的是半纖維素，它賦予木材剪切強(qiáng)度。纖維素鏈狀分子大多沿胞壁的長軸平行排列，橫向以氫鍵結(jié)合構(gòu)成微纖絲，微纖絲間除借助于側(cè)面的氫鍵結(jié)合，局部尚以果膠質(zhì)膠著，胞壁與胞壁之間借胞間質(zhì)膠著。因此木材橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)低于縱向自身的聯(lián)接強(qiáng)度。從細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)看，可以認(rèn)為木材破壞的原因是由于微纖絲和填充物的撕裂或剪切，或者纖維被壓潰所造成。第20頁/共46頁二、單軸應(yīng)力下的破壞特點(diǎn)（一）順紋壓縮（compressionalongthegrain）平行于木材紋理方向的壓縮稱順紋壓縮。1.順壓破壞宏觀表現(xiàn)木材順壓破壞試件上，?？梢娺B續(xù)破壞線總出現(xiàn)在弦面，說明木材剛性徑面大于弦面。因木射線在徑面起骨架和支撐作用；此外微纖絲在胞壁徑面與木射線相交，產(chǎn)生了局部扭轉(zhuǎn)，對剪切方向也有影響。破壞線與主軸的傾角常取決于木材密度，密度大者，傾角小。破壞形狀決定于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰為常見。干的木材常在未發(fā)生明顯扭曲之前，因劈裂而破壞。第21頁/共46頁2.順壓破壞微觀表現(xiàn)由顯微鏡可觀察到順壓破壞有3個階段。首先在胞壁上會產(chǎn)生單一錯位的裂紋狀細(xì)線，稱滑移線或滑移面。而后滑移面彼此相連而形成稱微觀壓縮皺紋的綜合橫帶。上述兩階段屬初期破壞。微纖絲產(chǎn)生錯位，在低于破壞載荷的25%應(yīng)力的水平下已開始產(chǎn)生。這種錯位使木材纖維縮短，屬永久的塑性變形。木材纖維與木射線接觸部位易產(chǎn)生錯位，錯位所產(chǎn)生的滑移面與胞壁主軸一般成50°~70°角。繼初期破壞之后，木材纖維會產(chǎn)生扭曲。扭曲是木材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。第22頁/共46頁（二）橫紋壓縮（compressionperpendiculartothegrain）垂直于木材紋理方向的壓縮稱為橫紋壓縮。木材橫紋壓縮可分為局部受壓和全部受壓。前者抗壓強(qiáng)度高于后者。鐵軌架在枕木上屬局部受壓，膠合板制造的加壓屬全部受壓。木材橫紋抗壓結(jié)果是用比例極限值，或用試件厚度2.5%壓縮率時的應(yīng)力值來表示。1.橫壓破壞宏觀表現(xiàn)首先是纖維受壓變緊密。局部橫壓時，乘壓板凹陷入木材，上部的纖維破壞，較內(nèi)部的纖維未受影響。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，試樣未受壓的端部會突出，或呈水平劈裂。試樣突出部分增加了直接荷載下的木材強(qiáng)度。第23頁/共46頁2.順壓破壞微觀表現(xiàn)木材橫壓時，細(xì)胞的橫斷面變形，若施加的壓縮荷載為足夠大時，這種變形將繼續(xù)擴(kuò)大，直至荷載超過木材的彈性極限后，木材外部纖維及其鄰近纖維潰壞，并變得緊密，產(chǎn)生永久變形。外部纖維破壞最大，也最緊密。橫壓試件由外向內(nèi)纖維遭受的破壞和被壓程度也依次變小。木材這種重新分配應(yīng)力和吸收能量的能力，對于用木材作承重墊板，特別是木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)處尤為重要。第24頁/共46頁（三）順紋拉伸（tensionalongthegrain）木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲間的剪切。因微纖絲縱向的結(jié)合非常牢固，所以順拉破壞時的變形很小，通常應(yīng)變值小于1%~3%，而強(qiáng)度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強(qiáng)度也未充分發(fā)揮。因?yàn)槟静捻樇y剪切強(qiáng)度特別低，通常只有順拉強(qiáng)度的6%~10%，順紋拉伸時，微纖絲間的撕裂破壞是微纖絲間的滑移所致，其破壞斷面常呈鋸齒狀、或細(xì)裂片狀和針狀撕裂。其斷面形狀的不規(guī)則程度，取決于木材順拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強(qiáng)度弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀。而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，對大氣濕度敏感性增加，這兩個因素大大削弱了木材的順拉強(qiáng)度，微纖絲很少出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，而造成拉斷破壞，斷面處常較為平整。第25頁/共46頁（四）橫紋拉伸（tensionend-grain）木材徑向受拉時，除木射線細(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，組成木材細(xì)胞一系列鏈狀分子受橫拉應(yīng)力時會發(fā)生扭曲。由于木射線組織體積百分比較小，故木材橫向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于順紋拉伸強(qiáng)度。（五）順紋剪切（shearparalleltothegrain）

木材順紋剪切的破壞特點(diǎn)是木材纖維在平行于紋理方向發(fā)生了相互滑移。順紋剪切又有弦面和徑面之分。1.剪切面平行于年輪的弦面剪切：其破壞常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑行，破壞表面較光滑，但略有起伏，面上帶有細(xì)絲狀木毛。2.剪切面垂直于年輪的徑面剪切：其破壞表面較粗糙，不均勻而無明顯木毛。在擴(kuò)大鏡下，早材的一些星散區(qū)域上帶有細(xì)木毛。第26頁/共46頁第五節(jié)木材的主要力學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系一、抗壓強(qiáng)度(compressivestrength)

木材受壓荷載應(yīng)用最廣泛，是木材力學(xué)性質(zhì)中最重要的特性。（一）順紋抗壓強(qiáng)度(compressivestrengthparalleltograinofwood)

順紋抗壓強(qiáng)度是木材作為結(jié)構(gòu)和建筑材料的主要力學(xué)性質(zhì)，它可在一定程度上說明木材總的力學(xué)性質(zhì)的好壞。

順紋抗壓強(qiáng)度主要取決于細(xì)胞壁的化學(xué)成分為—木素（賦予木材抗壓強(qiáng)度和剛性，把木材分子粘合在一起）。順紋抗壓強(qiáng)度試件的斷面徑、弦向名義尺寸為20×20mm，高度為30mm。順紋抗壓強(qiáng)度的計算公式為：

（MPa）式中：b、t—試樣寬度、厚度（mm）。第27頁/共46頁（二）橫紋抗壓強(qiáng)度(compressivestrengthperpendiculartograinofwood)

根據(jù)作用力與年輪位置的不同，分為徑向和弦向受壓。全部受壓試件尺寸為20×20×30mm，局部受壓試件為20×20×60mm，后一尺寸均為順紋尺寸。橫壓因無法準(zhǔn)確測定破壞強(qiáng)度，故需從繪制的荷載—變形圖上確定比例極限荷載P，分別以下式計算橫壓比例極限應(yīng)力。全部橫壓：（MPa）局部橫壓：（MPa）式中：P為比例極限荷載（N），b為試件寬度（mm），L為試件長度（mm），t為加壓鋼板寬度（mm）。第28頁/共46頁

木材橫壓比例極限應(yīng)力，局部橫壓高于全部橫壓。局部橫壓應(yīng)用范圍較廣，故測定也以它為主。徑向和弦向橫壓值的大小與木材構(gòu)造有極其密切的關(guān)系。具有寬木射線和木射線含量較高的樹種（櫟木、米櫧等），徑向橫壓比例極限應(yīng)力高于弦向；其它闊葉樹材（窄木射線），徑向和弦向值相近。對于針葉樹材，特別是早、晚材區(qū)分明顯的樹種如落葉松等，則弦向大于徑向。當(dāng)徑向受壓時，主要是較松軟的早材易形成變形；而在弦向受壓時，從試驗(yàn)一開始即由晚材承載。第29頁/共46頁二、抗拉強(qiáng)度(tensilestrength)

根據(jù)拉力與木材紋理的平行和垂直可分為順拉和橫拉。橫拉根據(jù)拉力與年輪的平行和垂直又可分弦向和徑向。拉伸強(qiáng)度按以下公式計算：（MPa）式中：Pmax—最大荷載（N），b—試件寬度（mm），

t—試件寬度（mm）。（一）順紋抗拉強(qiáng)度

(tensilestrengthparalleltograinofwood)

木材順紋抗拉強(qiáng)度取決于木材纖維的強(qiáng)度、長度、紋理方向和木材密度等。纖維長度是左右木材順紋抗拉強(qiáng)度的主要因子，纖維長度與微纖絲傾角間有一定相關(guān)，即纖維越長，微纖絲傾角越小，順紋抗拉強(qiáng)度也越大。此外，木材密度大，順紋抗拉強(qiáng)度也大。木材3種主要化學(xué)組成成分中，木材的順紋抗拉強(qiáng)度主要取決于纖維素，因纖維素分子基本按細(xì)胞縱軸排列的。木材順紋抗拉強(qiáng)度是各類強(qiáng)度中最大者。第30頁/共46頁（二）橫紋抗拉強(qiáng)度

(tensilestrengthperpendiculartograinofwood)

由于木材細(xì)胞排列和胞壁上微纖絲走向等原因，木材橫紋抗拉強(qiáng)度值很低，通常僅為順紋抗拉強(qiáng)度的1/10~1/65。因此，在任何木結(jié)構(gòu)的部件中應(yīng)盡可能避免橫紋拉力，這不僅是因?yàn)闄M紋抗拉強(qiáng)度很低，而且由于木材的干縮可能引起徑裂和輪裂，使木材完全喪失橫紋抗拉強(qiáng)度。第31頁/共46頁三、抗剪強(qiáng)度(shearingstrengthparalleltograinofwood)

木材幾種抗剪強(qiáng)度中，順紋剪切強(qiáng)度最小，故通常只測順紋剪切強(qiáng)度。順剪又分徑面和弦面破壞兩種。1.剪切面平行于年輪的弦面剪切：破壞常出現(xiàn)于早材，在早、晚材交界處滑行，破壞面較光滑，有細(xì)纖毛。2.剪切面垂直于年輪的徑面剪切：破壞面較粗糙、不均勻且無明顯木毛。木材順紋剪切強(qiáng)度較小，平均只有順紋抗壓強(qiáng)度的10%~30%。紋理較斜的木材，如交錯紋理、渦紋、亂紋等其剪切強(qiáng)度會明顯增加。闊葉材的順紋剪切強(qiáng)度平均比針葉材高出1/2。闊葉材弦面抗剪強(qiáng)度較徑面高出10%~30%，其木射線越發(fā)達(dá)，這種差異也越大。針葉材徑面和弦面的抗剪強(qiáng)度大致相同。第32頁/共46頁四、抗彎強(qiáng)度(bendingstrength)和抗彎彈性模量(themodulusofelasticityinstaticbending)

在靜力彎曲時，木梁構(gòu)件上層受壓，下層受拉，其間受剪。在拉、壓間有一層既不伸長，也不縮短的纖維層叫中性層。正應(yīng)力在距中性層最遠(yuǎn)的邊緣纖維達(dá)最大值，剪應(yīng)力最大值在中性層上。由于木材的順拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于順壓強(qiáng)度，中性層偏向受拉區(qū)一側(cè)?？箯潖?qiáng)度σbw

和抗彎彈性模量Ew的計算公式如下：式中：Pmax—最大荷載（N）；P—上、下限荷載之差；L—兩支座距離（mm）；b—試件寬度（mm）；h—試件高度（mm）；f—上、下荷載間試件中部的變形值。

木材抗彎強(qiáng)度值介于順拉和順壓強(qiáng)度之間，個樹種平均值約為90MPa左右。徑向和弦向抗彎強(qiáng)度間的差異主要表現(xiàn)在針葉材上，弦向比徑向高出10%~12%；闊葉材兩個方面上的差異一般不明顯。第33頁/共46頁五、沖擊韌性(toughness)

沖擊韌性采用中央施加沖擊荷載，使試樣產(chǎn)生彎曲破壞的試驗(yàn)形式。它不測定破壞試樣所需要的力，而是用破壞試樣所消耗的功來表示。沖擊破壞消耗的功愈大，木材韌性愈大，亦即脆性愈小。試件尺寸為20×20×300mm，后者為順紋尺寸。支座距離為240mm。沖擊韌性按下式計算：

式中：Q—試樣破壞時的吸收能量（J）；

b—試樣寬度（mm）；

h—試樣高度（mm）。木材沖擊韌性按我國標(biāo)準(zhǔn)只做弦向試驗(yàn)。早、晚材區(qū)別明顯的樹種，其弦向和徑向沖擊韌性有明顯的差別，如落葉松徑向沖擊韌性比弦向高50%。早、晚材區(qū)別不明顯的樹種，徑、弦向幾乎相同。闊葉材沖擊韌性與針葉材相比，約為0.5~2倍。第34頁/共46頁六、硬度(hardness)

我國木材硬度試驗(yàn)是采用半徑為5.64mm的鋼球，在靜荷載下壓入試樣深度為5.64mm時，其橫斷面積恰好為100mm2。對于壓入后試樣易裂的樹種，鋼半球壓入的深度允許減至2.82mm，此時截面積為75mm2。硬度試樣尺寸為50×50×70mm，后一尺寸為順紋尺寸。硬度可分弦面、徑面和端面3種。硬度可按下式計算：式中：P—鋼半球壓入試樣規(guī)定深度時的荷載（N）；

K—壓入深度為5.64或2.82mm時系數(shù)，分別等于1或4/3。

木材端面硬度高于側(cè)面，針葉材平均高出35%，闊葉材平均高出25%左右。大多數(shù)樹種的弦面和徑面硬度相近，但木射線發(fā)達(dá)的麻櫟、青岡櫟等樹種的木材硬度，弦面可高出徑面5%~10%。木材密度對硬度影響極大，密度愈大，則硬度也愈大。第35頁/共46頁七、主要力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系木材的各種力學(xué)性質(zhì)間存在著相關(guān)關(guān)系。如能找出某種力學(xué)性質(zhì)與其它力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)方程，就能通過實(shí)測一、二種力學(xué)性質(zhì)值，來估斷該木材的其它力學(xué)性能，并為非破壞性測試提供理論依據(jù)。如木材無損強(qiáng)度試驗(yàn)，即采用非破壞性的彈性模量的測試，然后利用彈性模量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，估測出抗彎強(qiáng)度，以達(dá)到木材應(yīng)力分等的目的。據(jù)統(tǒng)計，我國250多個樹種的力學(xué)性質(zhì)的平均值范圍（MPa）大致如下：

順壓強(qiáng)度40~50MPa；抗彎強(qiáng)度80~100MPa；順拉強(qiáng)度120~150MPa；順剪強(qiáng)度12~15MPa

。因此主要強(qiáng)度間有以下比例關(guān)系：順壓：彎曲：順拉：順剪=1：2：3：0.30。第36頁/共46頁第六節(jié)影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素

影響木材力學(xué)性質(zhì)的因素，除木材構(gòu)造之外，還與木材中的水分、密度、作用時間、溫度和紋理等因素有關(guān)。關(guān)于荷載和時間的影響，在第三節(jié)中已有詳述。一、水分的影響木材吸附水存在于細(xì)胞壁中的微纖絲之間，起著潤滑作用，允許微纖絲之間有一定的滑移或相對位移。若水分散失了，微纖絲之間緊密靠攏，吸引力增大，對滑動位移有很強(qiáng)的摩擦阻力。所以，（1）當(dāng)含水率低于纖維飽和點(diǎn)時，木材強(qiáng)度隨細(xì)著水的增加而降低；（2）當(dāng)含水率在纖維飽和點(diǎn)時，強(qiáng)度達(dá)最低值；（3）當(dāng)含水率高于纖維飽和點(diǎn)時，自由水含量增加，其強(qiáng)度值不再減少，基本保持恒定。

強(qiáng)度的含水率調(diào)整系數(shù)α—木材在吸著水范圍內(nèi)，含水率每改變1%時的強(qiáng)度變化百分率。第37頁/共46頁

通常用α表示。木材各類強(qiáng)度的α是各不相同的。我國木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種強(qiáng)度α值如下：順壓強(qiáng)度0.05，橫壓強(qiáng)度0.045，靜曲強(qiáng)度0.04，硬度0.03，順剪強(qiáng)度0.03，橫拉強(qiáng)度0.025，順拉強(qiáng)度和靜曲模量0.015，沖擊韌性和抗劈力均為0。為了統(tǒng)計和相互比較，應(yīng)將不同含水率的木材強(qiáng)度換算成同一含水率下的強(qiáng)度。我國國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的含水率為12%，可采用以下公式計算：

σ12=σW[1+α(W-12)]

式中：σ12和σW分別為含水率為12%和W%時的強(qiáng)度值。α為含水率換算系數(shù)，隨強(qiáng)度性質(zhì)而異。上式適用的含水率范圍為8%~15%，試驗(yàn)時應(yīng)采用氣干材。第38頁/共46頁二、木材密度的影響

木材的力學(xué)性質(zhì)與單位體積中木材實(shí)質(zhì)量有關(guān)，即與木材密度有著極為密切的關(guān)系。兩者的關(guān)系可用以下數(shù)學(xué)式表示：

S=aρb，S表示各類力學(xué)性質(zhì)，ρ是木材密度，a是比例常數(shù)，b是關(guān)系曲線的形狀指數(shù)，a和b隨力學(xué)性質(zhì)類型不同而異。木材力學(xué)性質(zhì)和密度的關(guān)系除指數(shù)曲線外，多數(shù)表現(xiàn)為直線關(guān)系。即使是指數(shù)關(guān)系，因指數(shù)b值如與1相差不多，也可近似用直線方程S=aρ或S=aρ+b表示。當(dāng)強(qiáng)度與密度關(guān)系簡化成S=aρ時，a=S/ρ，a即為強(qiáng)重比。三、溫度的影響溫度對強(qiáng)度的影響甚為復(fù)雜，它與溫度的高低、受熱時間的長短、木材密度、含水率、樹種和強(qiáng)度性質(zhì)等諸多因子有關(guān)。此外尚會形成個因子與溫度對強(qiáng)度的綜合影響。第39頁/共46頁（一）正溫度正溫度的變化會導(dǎo)致木材含水率及其分布產(chǎn)生變化，由此造成內(nèi)應(yīng)力和干燥等缺陷。正溫度除通過它們對木材強(qiáng)度的有間接影響外，還對木材強(qiáng)度有直接影響。造成這種影響的因素有二，一是因熱促使細(xì)胞壁物質(zhì)分子運(yùn)動加劇，內(nèi)摩擦減少，微纖絲間松動增加，木材強(qiáng)度下降。二是當(dāng)溫度超過180℃木材物質(zhì)分解溫度，或在83℃左右長期受熱的條件下，木材中的抽提物、果膠、半纖維素等會部分或全部消失，這對強(qiáng)度會產(chǎn)生損失，特別是沖擊韌性和拉伸強(qiáng)度會有較大的削弱。前者是暫時影響，是可逆過程；后者是永久影響，為不可逆。長時間高溫的作用對木材強(qiáng)度的影響是可以累加的?？傊?，木材大多數(shù)力學(xué)強(qiáng)度隨溫度升高而降低。溫度對力學(xué)性質(zhì)的影響程度由大至小的順序?yàn)椋簤嚎s強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量，最小為拉伸強(qiáng)度。此外加熱方式對強(qiáng)度的影響程度也有差別，其大小順序如下：蒸汽、水、熱壓機(jī)內(nèi)、干熱空氣。第40頁/共46