木材的力學(xué)性能參數(shù)分析整理

1、木 材 的 力 學(xué) 性 能 參 數(shù)P31.1 木材的力學(xué)性質(zhì)2.1 木材力學(xué)基礎(chǔ)理論P(yáng)3 P82.1.1 應(yīng)力與應(yīng)變2.1.2 彈性和塑性2.1.3 柔量和模量2.1.4 極限荷載和破壞荷載3.1 木材力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)P8 P203.1.1 木材的各向異性3.1.2 木材的正交對(duì)稱性與正交異向彈性3.1.3 木材的粘彈性3.1.4 木材的松弛3.1.5 木材塑性3.1.6 木材的強(qiáng)度、韌性和破壞3.1.7 單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點(diǎn)4.1 木材的各種力學(xué)強(qiáng)度及其試驗(yàn)方法P20 P284.1.1 力學(xué)性質(zhì)的種類5.1 木材力學(xué)性質(zhì)的影響因素P28 P315.1.1 木材密度的影響5.1.2 含

2、水率的影響5.1.3 溫度的影響5.1.4 木材的長(zhǎng)期荷載5.1.5 紋理方向及超微構(gòu)造的影響5.1.6 缺陷的影響6.1 木材的允許應(yīng)力 P31 P336.1.1 木材強(qiáng)度的變異6.1.2 荷載的持久性6.1.3 木材缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響6.1.4 構(gòu)件干燥缺陷的影響6.1.5 荷載偏差的折減6.1.6 木材容許應(yīng)力應(yīng)考慮的因素7.1 常用木材物理力學(xué)性能P34 P361.1 木材的力學(xué)性質(zhì) 主要介紹 : 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

3、因素等。1.1.1 木材的力學(xué)性質(zhì)：木材在外力作用下，在變形和破壞方面所表 現(xiàn)出來的性質(zhì)。1.1.2 木材的力學(xué)性質(zhì)主要包括：彈性、塑性、蠕變、抗拉強(qiáng)度、抗 壓強(qiáng)度、抗碗強(qiáng)度、抗減強(qiáng)度、沖擊韌性、抗劈力、抗扭強(qiáng)度、硬度 和耐磨性等。1.1.3 木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性：與一般鋼材、混凝土及石材等材料 不同，木材屬生物材料， 其構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)的各向異 性。因此，木材力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有順紋、橫紋、徑向、弦向之分。1.1.4 了解木材力學(xué)性質(zhì)的意義： 掌握木材的特性， 合理選才、用材。2.1 木材力學(xué)基礎(chǔ)理論2.1.1 應(yīng)力與應(yīng)變( stress and strain )定義：材料在外力作用

4、下，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)力，包括壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎應(yīng)力等。2.1.1.1 應(yīng)力單位： N/mm2(=MPa)壓縮應(yīng)力：短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力稱為壓縮應(yīng)力； 壓應(yīng)力： =-P/A拉伸應(yīng)：短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力稱為拉伸應(yīng)力；拉應(yīng)力： =P/A剪應(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； =P/AQ2.1.1.2 應(yīng)變定義：外力作用下，物體單位長(zhǎng)度上的尺寸或形狀的變化； 應(yīng)變： = L / L2.1.1.3 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 應(yīng)力應(yīng)變曲線：曲線的終點(diǎn) M表示物體的破壞點(diǎn)。2.1.1.4 比例極限與永久變

5、形 :比例極限應(yīng)力：直線部分的上端點(diǎn) P 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 ; 比例極限應(yīng)變：直線部分的上端點(diǎn) P 對(duì)應(yīng)的應(yīng)變 ; 塑性應(yīng)變(永久應(yīng)變) ：應(yīng)力超過彈性限度，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。2.1.1.5 破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變破壞應(yīng)力、極限強(qiáng)度：應(yīng)力在 M點(diǎn)達(dá)到最大值，物體產(chǎn)生破壞 ( M); 破壞應(yīng)變： M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變 ( M ) 。2.1.1.6 屈服應(yīng)力 當(dāng)應(yīng)力值超過彈性限度值并保持基本上一定， 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 ( Y) 。2.1.2 彈性和塑性 (elasticity and plasticit

6、y) 彈性：物體在卸除發(fā)生變形的荷載后，恢復(fù)其原有形狀、尺寸或位置 的能力;塑性：物體在外力作用下， 當(dāng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度大于應(yīng)力增長(zhǎng)速度，外力 消失后木材產(chǎn)生永久殘留變形部分， 為塑性變形， 木材的這一性質(zhì)叫 塑性;塑性應(yīng)變(永久應(yīng)變) ：應(yīng)力超過彈性限度，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。彈性變形實(shí)際上是分子內(nèi)的變形和分子間鍵距的伸縮； 塑性變形實(shí)際 上是分子間相對(duì)位置的錯(cuò)移。2.1.3 柔量和模量 (compliance and modulus) 在彈性限度范圍內(nèi) ,大多數(shù)材料應(yīng)力與應(yīng)變間有如下關(guān)系 : = E， （胡克定律）彈性模量（ E ）: 物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需

7、要的應(yīng)力，它表征材料抵抗 變形能力的大小， E=應(yīng)力/ 應(yīng)變,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 , E = / 叫彈性模量。 柔量：彈性模量的倒數(shù)， 表征材料在荷載狀態(tài)下產(chǎn)生變形的難易程度 , a= E-1 =/ 為柔量 .彈性模量的意義： 在彈性范圍內(nèi)， 物體抵抗外力使其改變形狀或體積 的能力。是材料剛性的指標(biāo)。2.1.4 極限荷載和破壞荷載 （maximum loading and destroy loading） 極限荷載：試件達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)的荷載。破壞荷載：試件完全破壞時(shí)的荷載。氣干材上述兩個(gè)值相同； 而濕木材兩者不同， 破壞荷載常低于極限荷 載。3.

8、1 木材力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)3.1.1 木材的各向異性 表現(xiàn)在木材的物理性質(zhì)，如干縮、濕脹、擴(kuò)散、滲透等。在力學(xué)性能 上，如彈性、強(qiáng)度和加工性等方面。從強(qiáng)度上來看，木材的壓縮、拉 伸、彎曲及沖擊韌性等均為當(dāng)應(yīng)力方向與纖維方向平行時(shí)， 強(qiáng)度值最 大，隨著兩者之間的傾角變大，強(qiáng)度銳減。 前述木材物理性質(zhì)（干 縮性、熱、電、聲學(xué)等）構(gòu)造性質(zhì)各向異性，同樣木材力學(xué)性質(zhì)亦存 在著各向異性。木材大多數(shù)細(xì)胞軸向排列，僅少量木射線徑向排列。木材為中空的管狀細(xì)胞組成， 其各個(gè)方向施加外力， 木材破壞時(shí)產(chǎn)生 的極限應(yīng)力不同。例如順紋抗拉強(qiáng)度可達(dá) 120.0-150.0Mpa ，而橫紋 抗拉強(qiáng)度僅 3.0-5.0Mpa（

9、C-H,H-O） ，這主要與其組成分子的價(jià)鍵不同 所致。軸向纖維素鏈狀分子是以 C-C、 C-O 鍵連接，而橫向纖維素鏈 狀分子是以 C-H、H-O連接，二者價(jià)鍵的能量差異很大。3.1.1.1 木材力學(xué)性質(zhì)各向異性原因： 木材宏觀上呈層次狀：同心圓狀年輪 木材有縱向和橫向組織： 大多數(shù)細(xì)胞和組織呈軸向， 射線組織呈徑向。 胞壁結(jié)構(gòu)：細(xì)胞壁各層微纖絲排列方向不同 胞壁的成分：以纖維素為骨架。纖維素的結(jié)構(gòu)、晶胞有關(guān)：?jiǎn)涡本w。3.1.2 木材的正交對(duì)稱性與正交異向彈性3.1.2.1 彈性常數(shù) 彈性模量（ E ）：物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料抵抗 變形能力的大小， E=應(yīng)力/ 應(yīng)變剪切彈

10、性模量 G：剪切應(yīng)力 與剪切應(yīng)變 之間在小的范圍內(nèi)符合： =G 或 G=/ G 為剪切彈性模量，或剛性模量。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（ ）。分子表示橫向應(yīng)變，分母表示軸向應(yīng)變正交異向彈性：木材為正交異性體。彈性的正交異性為正交異向彈性。木材的正交對(duì)稱性 : 木材具有圓柱對(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，可以用虎克定律來描述它的彈性。方程中有 3個(gè)彈性模量、 3個(gè)剪切彈性模量和 3個(gè)泊松比。不同樹種間的這 9 個(gè)常數(shù)值是存在差異。 木材是高度各向

11、異性材料，木材三個(gè)主方向的彈性模量即ELER ET幾種木材的彈性常數(shù)材料密度3 g/cm含水 率%ELMPaER MPaETMPaGLT MPaGLR MPaGTR MPaRTLRLT針葉樹材云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47松木0.550101627211035736761172660.680.420.51花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37闊葉樹材輕木0.20096274296103200310330.660.230.49核桃木0.590111123911726216908962280.720.4

12、90.63白蠟?zāi)?.670915790151682789613102690.710.460.51山毛櫸0.750111370022401140106016104600.750.450.513.1.3 木材的粘彈性 流變學(xué)：討論材料荷載后的彈性和黏性的科學(xué)。 （ 討論材料后荷載應(yīng) 力 - 應(yīng)變之間關(guān)系隨時(shí)間變化的規(guī)律 ） 蠕變和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3.1.3.1 木材的蠕變概念（creep） ：指在恒定外力作用下 （應(yīng)力不變 ）, 應(yīng)變隨時(shí)間的增加 而逐漸增大的現(xiàn)象。由于木材的粘彈性而產(chǎn)生三種

13、變形：瞬時(shí)彈性變形、粘彈性變形、塑 性變形。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。瞬 時(shí)彈性變形 : 與加荷速度相適應(yīng)的變形，它服從于胡克定律； 黏彈性變形 : 加荷過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時(shí)間遞減的彈性變形 塑性變形 : 最后殘留的永久變形。差異：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。蠕變曲線：OA 加載后的瞬間彈性變形， AB 蠕變過程，（t 0t1） t BC1 卸載后的瞬間彈性回復(fù)， BC1=OA， C1D 蠕變回復(fù)過 程，t 緩慢回復(fù)，故蠕變 AB包

14、括兩個(gè)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）， 木材蠕變曲線變化表現(xiàn)的正是木材的黏彈性質(zhì)。 蠕變規(guī)律：（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)間推移而變形減小的蠕變恢復(fù)，在此過程中的 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。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， 同時(shí)

15、造成材料蠕變的不可恢復(fù)部分越 來越大。3.1.3.3 蠕變的消除 對(duì)木材施加一荷載，荷載初期產(chǎn)生 應(yīng)力應(yīng)變曲線 OA，卸載產(chǎn)生曲 線 A B ，殘留了永久變形 OB 。為了使永久變形消失而重新獲 得物體的原來形狀，必須施加與產(chǎn)生曲線應(yīng)力符號(hào)相反的應(yīng)力 OC 而形成這段曲線 B C ；當(dāng) OC 繼續(xù)增大到等于 A P ， B C 將延至 C D ；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 D E ，也不能恢復(fù)到原形，殘留負(fù)向的永久變形 E O 。再次通 過反向應(yīng)力 OF ，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 F A ，與原曲線構(gòu)成一個(gè)環(huán)狀閉合。 A B D F 封閉曲線所包圍的面

16、積相當(dāng)于整個(gè)周期中的能量損耗。3.1.3.4 蠕變的影響因素(1) 時(shí)間： (2) 木材的含水率：水分在木材內(nèi)，從一吸著處到另一吸著 處，其中包括氫鍵的松散或破壞，木材這一暫時(shí)的削弱便導(dǎo)致在荷載 下的微小變形，變形的累積可能最終導(dǎo)致破壞。(3) 載荷(4) 溫度：當(dāng)空氣的溫度和濕度增加時(shí)，木材的總變形量和 變形速度也增加。3.1.4 木材的松弛 松弛: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。 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。3.1.4.1 松弛曲線 :應(yīng)力時(shí)間曲線Kitazawa 松弛公式：t=

17、 1(1-m log t)m為松弛系數(shù) , 松弛系數(shù)隨樹種和應(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。木材蠕變特性研究簡(jiǎn)介 :木材的蠕變特性曲線是一粘彈性曲線木材蠕變特性曲線木材的蠕變變形由三部分組成：第一部分 是由木材內(nèi)部高度結(jié)晶的微纖絲構(gòu)架而引起的 彈性變形， 這種變形是瞬間完成； 第二部分是鏈段的伸展而引起的延遲彈性變形， 這種變形是隨時(shí)間而 變化的；第三部分是高分子的相互滑移引起的粘性流動(dòng)。力學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型根據(jù)流變學(xué)理論，其任一瞬時(shí)的蠕變?nèi)崃?J（t ）為:3.1.5 木材塑性3.1.5.1 塑性與塑性變形塑性變形 :當(dāng)施加于木材的應(yīng)力超過木材的

18、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。 塑性: 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。木材屬于塑性較小的材料。3.1.5.2 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。含水率 : 隨含水率增加而增大。 溫度: 隨溫度升高而加大，這種性質(zhì)往往被稱為熱塑性。3.1.5.3 木材塑性的應(yīng)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。 木材的塑性在木材

19、的軟 化、人造板成型等工藝中有利。3.1.6 木材的強(qiáng)度、韌性和破壞3.1.6.1 木材的強(qiáng)度強(qiáng) 度是指材料抵抗其受施應(yīng)力而不致破壞的能力， 表示單位截面積上 材料的最大承載能力。單位： N/mm2 Mpa。木材是各向異性的高分子材料，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)參數(shù)。3.1.6.2 木材的韌性 韌性是指材料在不致破壞的情況下所能抵御的瞬時(shí)最大沖擊能量。 單 位：KJ/m2 韌性材料往往是強(qiáng)度大的材料， 但也有不符合這個(gè)關(guān)系的。3.1.6.3 木材的破壞(1) 破壞木材結(jié)構(gòu)破壞是指其組織結(jié)構(gòu)在外力或外部環(huán)境作

20、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。(2) 木材破壞的原因纖維素賦予木材彈性和強(qiáng)度； 木質(zhì)素賦予木材硬度和剛性； 半纖維素 起填充作用， 它賦予木材剪切強(qiáng)度。 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。3.1.7 單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點(diǎn)3.1.7.1 順紋壓縮 順紋壓縮破壞的宏觀征狀： 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，材面上開始出現(xiàn)皺褶。破壞形狀和破

21、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， 破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。 干的木材通 常產(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。3.1.7.2 橫紋壓縮 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：常規(guī)型是散孔材橫壓時(shí)的特征， 為 不具平臺(tái)的連續(xù)曲線。 三段型是針葉樹材和闊葉樹材環(huán)孔材 徑向受壓時(shí)的特征曲線 : 橫紋壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線 OA-早材的彈性曲線AB-早材壓損過程曲線 BC-晚材彈性曲線而當(dāng)弦向壓縮時(shí)不出現(xiàn)三段 式曲線。3.1.7.3

22、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。 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%。 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，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。3.1.7.4 橫紋拉伸 木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。 木材的橫紋拉伸強(qiáng)度很低， 只 有順紋拉

23、伸強(qiáng)度的 1/35 1/65 。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)。3.1.7.5 順紋剪切 順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見的為順紋剪切，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。徑 切面剪切破壞（剪切面垂直于年輪） ，其表面較粗糙。4.1 木材的各種力學(xué)強(qiáng)度及其試驗(yàn)方法 木材的各種力學(xué)強(qiáng)度有縱向和橫向之分，橫向又分為徑向和弦向。4.1.1 力學(xué)性質(zhì)的種類 : 按照外力種類分類： 壓縮強(qiáng)度

24、、拉伸強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、 韌性等。按荷載速度和作用方法分：靜態(tài)強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。4.1.1.1 抗壓強(qiáng)度1. 順紋抗壓強(qiáng)度 (compression strength parallel to the grain) 我國(guó)木材順壓強(qiáng)度平均值為 45MPa。測(cè)試方法： 2020 30mm破壞的宏觀癥狀： 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，破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。干的木 材通常產(chǎn)生劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕 裂。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法 ( GB 1927-1943-91 )規(guī)定， 只

25、測(cè)定短柱的最大抗壓強(qiáng)度。其試樣尺寸為 202030mm，長(zhǎng)度平 行于木材紋理； w P/a b12w1+0.05(W-12) 式中： P破壞荷載， N；a，b試樣 斷面尺寸， mm；W試驗(yàn)時(shí)的木材含水率 ( ) ；w、12木材 氣干狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)含水率 12%時(shí)的強(qiáng)度， Mpa。我國(guó)木材順壓強(qiáng)度的平 均值約為 45Mpa；順壓比例極限與強(qiáng)度的比值約為 0.7 ，針葉樹材該 比值約為 0.78 ，軟闊葉樹材為 0.70 ，硬闊葉樹材為 0.66 。針葉樹材 具有較高比例極限的原因是， 它的構(gòu)造較單純且有規(guī)律； 硬闊葉樹環(huán) 孔材因構(gòu)造不均一，使這一比值最低4.1.1.2 橫紋抗壓強(qiáng)度(1) 分局部受壓

26、和全部受壓：(2) 又可以分為徑向和弦向受壓：a. 針葉樹材和闊葉樹材的環(huán)孔材徑向受壓： 見右圖，由 3 段不同斜率 的曲線組成。b. 針葉樹材和環(huán)孔材的弦向受壓：不出現(xiàn) 3 段曲線組成4.1.1.3 抗拉強(qiáng)度 木材順紋抗拉強(qiáng)度，是指木材沿紋理方向承受拉力荷載的最大能力。 木材的順紋抗拉強(qiáng)度較大，各種木材平均約為 117.7 147.1MPa，為 順紋抗壓強(qiáng)度的 23 倍。木材在使用中很少出現(xiàn)因被拉斷而破壞。 木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂粗微纖絲和微纖絲間的剪切。 微纖 絲縱向的 C-C、C-O 鍵結(jié)合非常牢固，所以順拉破壞時(shí)的變形很小， 通常應(yīng)變值小于 1 3，而強(qiáng)度值卻很高。木材順紋抗拉

27、力學(xué)試樣及其受力方向 試驗(yàn)時(shí)采用附有自動(dòng)對(duì)直和拉緊夾具的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行， 試驗(yàn)以均勻速度 加荷，在 1.5-2.0 分鐘內(nèi)使試樣破壞。順紋抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算。wP/a.b 式中： P最大荷載 ,N；a，b 一試樣工作部位橫斷面(cm2)；W一試驗(yàn)時(shí)的木材含水率 ( )。4.1.1.4 橫紋抗拉強(qiáng)度 木材的橫紋拉力比順紋拉力低得多，一般 只有順紋拉力的 l/30 1/40 。因?yàn)槟静膹?向受拉時(shí)，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；橫紋方向微纖絲上纖維素鏈間是 以氫鍵（ -OH）接合的，這種鍵的能量比木 材纖維素縱向分子間 C-C、C-O鍵接合的能量要 小得多。

28、此外，橫紋拉力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力不易均勻分布在整個(gè)受拉上， 往往先在一側(cè)被拉劈， 然后擴(kuò)展到整個(gè)斷面而破壞， 并非真正橫紋抗 拉強(qiáng)度。4.1.1.5 木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量 木材抗彎強(qiáng)度是指木材承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力， 可以用曲 率半徑的大小來度量。 它與樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等有關(guān)。 木材抗彎強(qiáng)度亦稱靜曲強(qiáng)度， 或彎曲強(qiáng)度， 是重要的木材力學(xué)性質(zhì)之 一，主要用于家具中各種柜體的橫梁、建筑物的桁架、地板和橋梁等 易于彎曲構(gòu)件的設(shè)計(jì)。 靜力荷載下， 木材彎曲特性主要決定于順紋抗 拉和順紋抗壓強(qiáng)度之間的差異。 因?yàn)槟静某惺莒o力抗彎荷載時(shí)， 常常 因?yàn)閴嚎s而破壞，并因拉伸而產(chǎn)生明顯的

29、損傷。對(duì)于抗彎強(qiáng)度來說， 控制著木材抗彎比例極限的是順紋抗壓比例極限時(shí)的應(yīng)力， 而不是順 紋抗拉比例極限時(shí)應(yīng)力 。各樹種木材抗彎強(qiáng)度平均值約為 90MPa左右。針葉樹材徑向和弦向抗 彎強(qiáng)度間有一定的差異，弦向比徑向高出 1012；闊葉樹材兩個(gè) 方向上的差異一般不明顯。 抗彎強(qiáng)度的測(cè)定方法各國(guó)不同， 區(qū)別在于 試樣的尺寸、加荷方式和加荷速度的差別。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試樣 斷面為 2020mm，長(zhǎng)度為 300mm，跨度為 240mm；中央荷載，弦向加 荷；試驗(yàn)以均勻速度加荷， 在 1-2 分鐘內(nèi)使試樣破壞。試驗(yàn)時(shí)為避免 試樣在支座和受力點(diǎn)產(chǎn)生壓痕， 影響試驗(yàn)結(jié)果， 在支座和受力點(diǎn)上應(yīng) 加鋼質(zhì)墊片。

30、墊片的尺寸為 30205mm。 抗彎強(qiáng)度用下式計(jì)算 w 3PL/2bh2(Mpa)12w 1+0.04 ( W-12)(Mpa)式中： w 木材試樣氣干狀態(tài)下的抗彎強(qiáng)度P破壞時(shí)的荷載， N；L跨度， 240mm； b試樣寬度， mm； h試樣高度， mm； W試驗(yàn)時(shí)試樣的含水率 ( ) 抗彎彈性模量 木材抗彎彈性模量是指木材受力彎曲時(shí)， 在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之 比，用于計(jì)算梁及桁架等彎曲荷載下的變形以及計(jì)算安全荷載。 木材的抗彎彈性模量代表木材的剛性或彈性， 表示在比例極限以內(nèi)應(yīng) 力與應(yīng)變之間的關(guān)系， 也即表示梁抵抗彎曲或變形的能力。 梁在承受 荷載時(shí)，其變形與彈性模量成反比，彈性模量大，變

31、形小，其木材剛 度也大4.1.1.6 抗剪切強(qiáng)度1. 一般只測(cè)順剪強(qiáng)度，平均只有順壓強(qiáng)度的 10-30%。紋理較斜的木 材，如交錯(cuò)紋理、渦紋、亂紋等順剪強(qiáng)度較大。2. 分類：順紋剪切強(qiáng)度、橫紋剪切強(qiáng)度 木材抗剪試樣與受力支架1附件主桿 2 塊 3 L 形塊 4 ，5螺桿 6 壓塊 7 試樣 8圓頭螺釘木材的順紋抗剪強(qiáng)度視木材受剪面的不同， 分為弦面抗剪強(qiáng)度和徑面 抗剪強(qiáng)度 , 如圖。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。剪切面垂直于年輪的徑面，剪切破壞時(shí)，其表 面較為粗糙，不均勻而無明顯木毛。在擴(kuò)大鏡下，

32、早材的一些星散區(qū) 域上帶有細(xì)木毛。木材順剪強(qiáng)度較小，平均只有順紋抗壓強(qiáng)度的 1030。紋理較斜 的木材，如交錯(cuò)紋理、渦紋、亂紋等 , 其順剪強(qiáng)度會(huì)明顯增加。闊葉 樹材順剪強(qiáng)度平均比針葉樹材高出 1/2 。闊葉樹材弦面抗剪強(qiáng)度較徑 面高出 1030，如木射線越發(fā)達(dá)，這種差異更加明顯。 針葉樹材， 其徑面和弦面的抗剪強(qiáng)度大致相同。4.1.1.7 沖擊韌性木材的沖擊韌性， 是指木材受沖擊力而彎曲折斷時(shí)， 試樣單位面積所 吸收的能量。吸收的能量越大，表明木材的韌性越高而脆性越低。沖 擊韌性與其他木材強(qiáng)度性質(zhì)不同， 不是用破壞試樣的力來表示， 而是 用破壞試樣所消耗的功 (kJ/m2) 表示。沖擊破壞消

33、耗的功愈大，木材 韌性愈大，亦即脆性愈小。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)不能用于木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算， 只能作為衡量木材品質(zhì)的參考。木材沖擊韌性的測(cè)定， 通常采用兩種方式， 即一次沖擊試驗(yàn)法和連續(xù) 沖擊試驗(yàn)法，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一次沖擊試驗(yàn)法。試樣尺寸為 2020300mm，兩支座間距離跨度為 240mm，中央荷載，只作弦向 試驗(yàn)，一次沖斷。擺錘質(zhì)量 10kg，起始高度為 1m，自由落下，試樣 被沖擊折斷后，擺錘自由擺動(dòng)到另一個(gè)高度，二次高度勢(shì)能之差，即 為試樣折斷時(shí)所吸收的能量，可直接從力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上讀出。 試驗(yàn)結(jié)果用下式計(jì)算： T 1000Q/bh式中： Q 試樣吸收的能量 (kJ/m 2) ； b試樣的寬度

34、(mm)；h試樣 的高度 (mm)4.1.1.8 木材硬度和耐磨性1. 木材的硬度 概念：木材的硬度，是指木材抵抗其它剛體壓入的能力。木材的硬度 與木材的密度密切相關(guān)，密度大其硬度則高，反之則低 測(cè)定法：采用半徑為 5.64cm 的鋼球，在靜荷載下壓入試樣深度 5.64cm 試件： 50mm50mm70mm木材端面硬度大于側(cè)面；大多數(shù)木材徑弦 面硬度相近。2. 耐磨性 概念：指木材抵抗摩擦、擠壓、沖擊和剝蝕，以及這幾種因子綜合作 用所產(chǎn)生的耐磨能力。與硬度有一定關(guān)系。用磨耗儀測(cè)定。4.1.1.8 抗劈力 概念：木材抵抗在尖楔作用下順紋劈開的力。分徑面和弦面。 抗劈力屬于工藝性質(zhì)，而且關(guān)系到其它

35、的工藝性質(zhì)，如開榫性?？古?力大的木材，其握釘力也強(qiáng)。木材抗劈力象其它力學(xué)性質(zhì)一樣，受木 材密度、木材構(gòu)造的影響。通常密度大的木材，其抗劈力也大，這種 關(guān)系表現(xiàn)得非常密切，呈直線關(guān)系。在密度相同的條件下，由于細(xì)胞 的組成不同，闊葉樹材的抗劈力大于針葉樹材的抗劈力。交錯(cuò)紋理、 木節(jié)可增大抗劈力。木材的含水率對(duì)抗劈力的影響不明顯。木材徑面 （A） 與弦面（B） 抗劈力的試樣形狀4.1.1.9 握釘力木材的握釘力， 是指木材抵抗釘子拔出的能力。 木材具有固著釘子的 性能，握釘力亦即木材與釘子之間的摩擦力。 當(dāng)握釘力的大小取決于 木材的種類、含水率、密度、硬度、彈性、紋理方向、釘子的形狀及 其與木材接

36、觸面的大小等。例如水曲柳的徑面握釘力為 2130N，而端 面為 1460N（圓釘 3.Omm。） 密度大的木材其握釘力也強(qiáng)，例如含 水率 15時(shí)，紫椴的密度為 0.49 ，其握釘力為 420N，水曲柳的密度 為 0.69 ，其握釘力為 1460N。5.1 木材力學(xué)性質(zhì)的影響因素一.木材密度 （密度對(duì)順拉強(qiáng)度影響不大）二 . 含水率：木材強(qiáng)度和含水率有一定關(guān)系。三. 溫度四. 時(shí)間（持久強(qiáng)度概念）五 . 紋理方向六.木材構(gòu)造 : 1. 晚材率與年輪寬度 ; 2. 木射線; 3. 其它如胞壁 厚度與纖絲角 等 .七 . 木材缺陷5.1.1 木材密度的影響 木材密度是決定木材強(qiáng)度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)，

37、是判斷木材強(qiáng)度的最佳 指標(biāo)。密度增大，木材強(qiáng)度和剛性增高；密度增大，木材的彈性模量 呈線性增高；密度增大，木材韌性也成比例地增長(zhǎng)。 在通常的情況下， 除去木材內(nèi)含物，如樹脂、樹膠等，密度大的木材，其強(qiáng)度高，木材強(qiáng)度與木材密度二者存在著下列指數(shù)關(guān)系方程。式中： 木材強(qiáng)度； 強(qiáng)度的性質(zhì)而不同。5.1.2 含水率的影響 木材含水率對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)的影響， 主要是由于單位體積內(nèi)纖維素和木 素分子的數(shù)目增多，分子間的結(jié)合 力增強(qiáng)所致。含水率高于纖維飽和 點(diǎn)，自由水含量增加，其強(qiáng)度值不 再減小，基本保持恒定。經(jīng)過長(zhǎng)期 的研究證實(shí)，含水率在纖維飽和點(diǎn) 以下，強(qiáng)度的對(duì)數(shù)值與含水率成一 直線關(guān)系。5.1.3 溫度

38、的影響 溫度對(duì)木材力學(xué)性能影響比較復(fù)雜。 一般情況下，室溫范圍內(nèi)，影響較 小，但在高溫和極端低溫情況下， 影響較大。正溫度的變化，在導(dǎo)致 木材含水率及其分布產(chǎn)生變化同時(shí)， 會(huì)造成木材內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和干燥等缺 陷。主要原因在于熱促使細(xì)胞壁物Kn木材密度； K 和 n常數(shù)，隨質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)加劇，內(nèi)摩擦減少，微纖絲間松動(dòng)增加，引起木材強(qiáng)度下 降。如水熱處理情況下，溫度超過 180，木材物質(zhì)會(huì)發(fā)生分解；或 在 83 左右條件下，長(zhǎng)期受熱，木材中抽提物、果膠、半纖維素等 會(huì)部分或全部消失， 從而引起木材強(qiáng)度損失， 特別是沖擊韌性和拉伸 強(qiáng)度會(huì)有較大的削弱。5.1.4 木材的長(zhǎng)期荷載 荷載作用線方向與紋理方向的關(guān)

39、系是影響木材強(qiáng)度的最顯著因素之 一。拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均為順紋方向最大，橫紋方向最小。5.1.5 紋理方向及超微構(gòu)造的影響 荷載作用線方向與紋理方向的關(guān)系是影響木材強(qiáng)度的最顯著因素之 一。拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均為順紋方向最大，橫紋方向最小。5.1.6 缺陷的影響 有節(jié)子的木材一旦受到外力作用， 節(jié)子及節(jié)子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中， 與 同一比重的無節(jié)木材相比，表示出小的彈性模量。1卵圓形、 2長(zhǎng)條形和 3掌狀節(jié)1 活節(jié)和 2 死節(jié)6.1 木材的允許應(yīng)力木材各種強(qiáng)度值一般都是用無疵小試件在特定的條件下按規(guī)定的試 驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的， 與實(shí)際的使用情況有很大差別。 因此在實(shí)際應(yīng)用中要 考慮各種因素的影響。 木材容

40、許應(yīng)力是指木構(gòu)件在使用或荷載條件下， 能長(zhǎng)期安全地承受的最大應(yīng)力。 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法所測(cè)得的強(qiáng)度值進(jìn)行 適當(dāng)折扣，折扣率稱為折扣系數(shù)，折扣系數(shù)之倒數(shù)稱為安全系數(shù)。6.1.1 木材強(qiáng)度的變異 木材是生物材料，變異較大。因樹種、產(chǎn)地和木材在樹干中的部位不 同，木材強(qiáng)度存在著變異。 因此除了解木材的平均強(qiáng)度以外，還應(yīng)了 解木材強(qiáng)度的變化異范圍，用變異系數(shù) (V) 來表示。6.1.2 荷載的持久性目前長(zhǎng)期荷載對(duì)木材強(qiáng)度的影響， 許多國(guó)家都采用小而無疵試樣強(qiáng)度 的 2/3( 即 0.67) 作為長(zhǎng)期荷載強(qiáng)度的數(shù)值；若為恒載，則用 1/2 。建 筑結(jié)構(gòu)物大部均為恒載和活載的共同作用，故在木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 中，

41、引用的長(zhǎng)期荷載強(qiáng)度折減系數(shù) K20.67 。6.1.3 木材缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響構(gòu)件的受力類型節(jié)徑比折減系數(shù) K3順紋受拉1/30.38順紋受壓1/20.67抗彎2/50.52順紋受剪0.806.1.4 構(gòu)件干燥缺陷的影響 用來推算木材容許應(yīng)力的木材強(qiáng)度， 是以木材含水率為 12為基準(zhǔn)。 木結(jié)構(gòu)工程中， 因條件限制大部分使用濕村作構(gòu)件。 當(dāng)濕材在氣干過 程中，一般都要發(fā)生開裂和撓曲，從而降低構(gòu)件的強(qiáng)度。因此也要考 慮木材干燥產(chǎn)生缺陷的影響。6.1.5 荷載偏差的折減 荷載的超載、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的偏差以及構(gòu)件缺口處引起的應(yīng)力的集 中（應(yīng)力集中主要考慮順紋拉伸） ，均可影響構(gòu)件的強(qiáng)度，對(duì)于這些 因子，

42、木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均確定了折減系數(shù)。6.1.6 木材容許應(yīng)力應(yīng)考慮的因素1）木材強(qiáng)度的變異 K1=1-2.33V （變異系數(shù)）2）荷載的持久性 K23）木材缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響 K34）構(gòu)件干燥缺陷影響 K45）應(yīng)力集中系數(shù) K56）超載系數(shù) K67）結(jié)構(gòu)偏差系數(shù) K7各項(xiàng)因素對(duì)木材強(qiáng)度的影響系數(shù)受力性質(zhì)K1K2K3K4K5K6抗彎0.670.520.801.201.10順紋抗壓0.670.671.001.201.10順紋抗拉0.670.380.850.901.201.10順紋抗剪0.670.800.751.201.10 = 12 K1K2K3K4K5/ （K6 K7）K= 12K1 K2K3K4K5

43、/ （K6K7） 木結(jié)構(gòu)部件安全系數(shù)為折減系數(shù)之倒數(shù)， 為強(qiáng)度平均值 與容 許應(yīng)力 的比值，其計(jì)算公式為： A=1/K= / 在我國(guó) 木結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)一般為 3.5 6.0 ，比金屬等其它材料要高。7.1 常用木材物理力學(xué)性能物理力學(xué)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表 1 物理力學(xué)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)基本 密度/（g/ cm3）氣 干 密 度/ （g /cm 3）干縮度/%（生材氣干）順紋 抗壓 強(qiáng)度 /MPa抗彎 強(qiáng)度 /MPa/GP a順紋抗 剪強(qiáng)度 /MPa端面硬 度/N徑向弦向生材 全 干生材 氣 干生材 全 干生材 氣 干V0.9142.16.15.1100000.756.03.59.56.073.0503

44、表 2 國(guó)內(nèi)常見樹種物理力學(xué)性能樹種試驗(yàn) 時(shí)含 水率 /%氣干 密度/（g/ cm3）干縮率 /% （生材氣 干）順紋抗 壓強(qiáng)度 /MPa抗彎 強(qiáng)度 /MPa抗彎彈 性模量 /GPa順紋 抗剪 強(qiáng)度 /MPa端面硬 度/N徑 向弦向福建柏15.0IIIIIIIIIIIIIIII銀杏15.0IIIIIIIIIIIIIIIIIII冷杉15.0IIIIIVIIIIIIIII杉松冷杉15.0IIIIIIIIIIIIII云南油松15.0II,IIIIIIII,IVII,IIIII,IIIIIIIIII落葉松15.0III ,IVVIIIIIIIVIIIII四川紅杉15.0IIIIIIVIIIIIIIII

45、II云杉15.0I,IIIIIIII,III,III,IIII濕地松15.0IIIIIIIIIIIIIIIIIII紅松15.0IIIIIIIIIIIIIIIII廣東15.0IIIIIIIIIIIIIIIIIII廣東松15.0IIIIIIIIIIIIIIIIIII馬尾松15.0II,IIIII, IIIIVIIIIIIIIIII,III樟子松15.0IIIIIIIIIIIIIIIII云南松15.0IIIIVIVII,IIIII,IIIIIII,III鐵杉15.0IIIIIIIIIII,IIIIIIIIII陸均松15.0IIIIIIIIIIIIIIIIIIIVIII雞毛松15.0IIIIIIIII

46、IIIIIIVIII杉木15.0IIIIIIIIIIIIIIII消極和15.0IIIIIIIIII槭木15.0III,IVIIIIII,IVIII,IVIV,V刺楸15.0II,IIII,IIII,IIIII,IIIII,III江南榿木15.0IIIIIIIIIII光皮樺15.0IIIII,IIIIII,IVIII,IVIII,IV白樺15.0IIIII,IIIII,IIIII,IIIII,III秋楓15.0IIIII,IIIII,IIIII,IIIIV青岡15.0IVIII,IVIVVIV,V水青岡15.0IVIIIIIIIVIII麻櫟15.0IVIII,IVIII,IVIIIVIV白櫟15.0IVIIIIII,IVIVV柞木15.0III,IVII,IIIIII,IVIII,IVIV楓香15.0IIIII,IIIII.IIIII,IIIIII山核桃15.0III,IVIIIIII,IVIIIIVIV核桃15.0II,IIIII,IIIII,IIIIIIII楓楊15.0IIIIIIII香樟15