工业化木结构材料特性与村镇建筑

建筑承重构件用材的要求，一般来说最好是树干长直、纹理平顺、材质均匀、木节少、扭纹少、能耐腐蚀和虫蛀、易干燥、少开裂和变形、具有较好的力学性能，并便于加工。结构用材可分为两类，针叶材和阔叶材。结构中的承重构件多采用针叶材。阔叶材主要用作板销、键块和受拉接头中的夹板等重要配件。

1.木材材料物理力学性能

（1）木材含水率

木材含水率是指木材中所含水分的质量占其烘干质量的百分率，可按式（5-1）计算：

式中：ω——木材含水率；

ml——木材烘干前的质量；

mo——木材烘干后的质量。

木材含水率通常用烘干法测定，即将需要测定的木材试样先行称重，得m1；然后放入烘箱内，以（103±2）℃的温度烘8h后，任意抽取2～3个试样进行第一次试称，以后每隔2h将上述试样称量一次；最后两次质量之差不超过0.002g时，便认为已达到全干，此时木材质量即为木材烘干后的质量mo。将所得m1和mmo代入式（5-1）计算即得到木材的含水率。

（2）木材的干缩性

木材的干缩性是指木材从湿材变化到气干或者全干状态时，其尺寸（纵向或横向）或体积随含水率的降低而不断缩小的性能。

木材干湿的程度通常用干缩率表示。干缩率是指湿材（其含水率高于纤维饱和点）变化到干材，干燥前后尺寸之差对于湿材尺寸的百分比。木材的干缩率分为气干和全干两种；二者又都分为体积干缩率、纵向线干缩率（顺木纹方向）、弦向干缩率和径向线干缩率（横木纹方向）几种。体积干缩率影响木材的密度。木材的纵向干缩率很小，一般为0.1％左右，弦向干缩率为6％～12％，径向干缩率为3％～6％，径向与弦向干缩率之比一般为1∶2，径向与弦向干缩率的差异是造成木材开裂和变形的重要原因之一。

木材干缩率的测定一般采用将木材的含水率从湿材到规定的气干状态，或从湿材到全干状态这两种情况进行实测后，按下列公式计算。

①线干缩率

气干干缩率：

式中：βw——木材弦向或径向气干干缩率；

βmax——木材弦向或径向全干干缩率；

lmax——湿材时木材在弦向或径向的长度（mm）；

lw——气干时木材在弦向或径向的长度（mm）；

l0——全干时木材在弦向或径向的长度（mm）。

②体积干缩率

气干干缩率：

全干干缩率：

式中：βuw——木材弦向或径向气干干缩率；

βvmax——木材弦向或径向全干干缩率；

Vmax——湿材时木材在弦向或径向的体积（mm3）；

Vw——气干时木材在弦向或径向的体积（mm3）；

V0——全干时木材在弦向或径向的体积（mm3）。

一般来说，在含水率相同的情况下，木材密度大者，横纹（径向、弦向）收缩大；密度小者，横纹收缩小，纵向收缩则相反。在同一树种中，弦向收缩最大，径向次之，纵向最小。

（3）木材密度

木材的密度是指木材单位体积的质量，通常分为气干密度、全干密度和基本密度三种。

气干密度按式（5-6）计算：

式中： —ρw —木材的气干密度（g /mm3）；

mw——木材气干时的质量（g ）；

Vw——木材气干时的体积（mm3）。

全干密度按式（5-7）计算：

式中：ρo——木材的气干密度（g /mm3）；

mo——木材气干时的质量（g）；

Vo——木材气干时的体积（mm3）。

基本密度按式（5-8）计算：

式中：ρy——木材的基本密度（g/mm3）；

Vmax——木材饱和水分时的体积（mm3）

基本密度是实验室中判断材性的依据，其数值比较固定、准确。气干密度则为生产计算木材气干时质量的依据。密度随木材的种类而有不同，是衡量木材力学强度的重要指标之一。一般来说，密度大的，力学强度亦大，密度小的，力学强度亦小。

（4）木材的变形和开裂

木材含水率变化时，会引起木材的不均匀收缩，致使木材产生变形（图5-13）。由于木材在径向和在弦向的干缩有差异及木材截面各边与年轮所成的角度不同而发生不同的形状变化。锯成的板材总是背着髓心向上翘曲的。

图5-13 木材的变形

1—两头缩小成纺锤形；2—长方形收缩后成矩形；3—长方形收缩后成不规则形态；4—正方形收缩后成矩形；5—方形收缩后成菱形；6—圆形收缩后成椭圆形；7—长方形收缩后成瓦形或瓦形反翘；8—弓形收缩后成橄榄核形

木材发生开裂的主要原因是由于木材沿径向和沿弦向干缩的差异以及木材表层和里层水分蒸发速度不均匀，使木材在干燥过程中因变形不协调而产生横木纹方向的撕拉应力超过了木材细胞间的结合力所致。

（5）木材顺纹受压、受拉、受剪和静力弯曲强度

木材在物理力学性质方面都具有特别明显的各向异性。顺木纹受力强度最高，横木纹最低，斜木纹介于两者之间。木材的强度还与取材部位有关，例如树干的根部与梢部、心材与边材、向阳面与背阳面等都有显著的差异。此外，无疵病的清材与有疵病（木节、斜纹、裂缝等）的木材之间差异更大。本节所述的木材力学性能只涉及清材标准小试件按专门试验方法确定的力学指标。

按照现行国家标准《木材物理力学试验方法》进行试验的、标准小试件破坏时的应力，成为木材的强度。木材受拉、受剪、在极小的相对变形下突然发生破坏的性质称为具有脆性破坏性质；相反，木材受压、受弯破坏前具有较大的、不可恢复的塑性变形性质。木材顺纹受压强度比受拉低，木材受弯强度则介于二者之间，并一般符合下列关系：

式中——分别为清材标准小试件的顺纹受拉、顺纹受压及受弯强度。

（6）木材受拉、受压、受剪及弯曲弹性模量

木材的弹性模量与树种、木材密度和含水率等因素有关，其顺纹受压和顺纹受拉的弹性模量基本相等，部分树种试验数值列于表5-1。

木材横纹弹性模量分为径向ER和切向ET，它们与木材顺纹弹性模量EL的比值随木材的树种不同而不同。当缺乏试验数据时，可近似取为：ET/EL≈0.05，ER/EL≈0.10。

表5-1 木材顺纹受拉和受压的弹性模量

木材受剪弹性模量G（也称剪变模量），随产生剪切变形的方向不同而不同；GLT表示变形产生在纵向和切向所组成的平面上的剪切模量；GLR表示变形产生在纵向和径向所组成的平面上的剪切模量；GRT表示变形产生在径向和切向所组成的平面上的剪切模量。

木材的剪切模量随树种、密度的不同而有差异。部分树种的试验数据列于表5-2。

表5-2 部分树种木材的剪切模量

当缺乏试验数据时，木材的剪切模量与顺纹弹性模量EL的相对比值，可以近似取为：

（7）木材顺纹受剪性质

木材顺纹受剪具有下列性质：

①木材受剪破坏是突然发生的，具有脆性破坏的性质。在剪切破坏之前，应力与应变之间的关系一般符合正交三向异性材料的弹性变形规律。

②根据单齿剪切的电算应力分析和试验表明，沿剪切面上剪应力的分布是不均匀的。剪切面上的平均剪切应力值与最大剪切应力值之间的关系见表5-3。(www.xing528.com)

表5-3 平均剪应力与最大剪应力τmax的关系

③剪切面上剪切应力τxy的分布状态，随构件的几何尺寸及木材的弹性模量而不同。

④刻齿深度与构件截面高度的比值越大，则木材平均剪切应力与最大剪切应力的比值越低。因此，减小刻槽深度可以提高木材的平均剪切强度，如表5-4所示。

表5-4 刻齿深度对木材平均剪切强度的影响

⑤受剪面上的着力点处有横向压紧力时，平均剪切强度较高；无横向压紧力时，由于产生横纹撕裂现象引起平均剪切强度降低。

（8）木材横纹承压性质

木材横纹承压（图5-14）的特点是受力时变形较大、无明显的破坏特征，直到木材被压至很密实之后，荷载还可以继续增加而无法确定其最终的破坏值。因此，一般取比例极限值作为木材横纹承压的强度指标。

图5-14 木材横纹承压

木材横纹承压（图5-14）分为全表面承压和局部表面承压。其强度大小决定于承压面的长度lα和非承压面的自由长度lc的比值：当lc/lα＝0时，即为全表面承压，此时强度最低；当lc/lα＝1且lα等于或小于试件高度h时，则为局部承压，此时强度最高；若比值lc/lα再增加，强度几乎保持不变。此外，当承压面位于试件一端且承压长度lα为试件长度l的1/3时，木材横纹承压比例极限介于局部表面承压和全表面承压之间，一般可取二者的平均值。

2.木材强度等级

承重结构用木材分为用于普通木结构的原木、方木和板材，胶合木，轻型木结构规格材三大类。用于普通木结构的原木、方木和板材的材性分为Ⅰa、Ⅱa和Ⅲa三级；胶合木结构的材质等级分为Ⅰb、Ⅱb和Ⅲb三级；对于轻型木结构规格材的材质等级按目测分为Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc、Ⅴc 和Ⅶc七级，按机械分为M10、M14、M18、M22、M26、M30、M35、M40八级。

普通的木结构用的原木、方木和板材分别按照《木结构设计规范》（GB 50005—2003）规定的缺陷限定，采用目测分等分成Ⅰa、Ⅱa和Ⅲa三级。这三个等级的材质的用途见表5-5所示。

表5-5 普通木结构构件的材质等级

普通木结构用木材，其树种的强度等级按表5-6和表5-7采用。

表5-6 针叶树种木材适用的强度等级

表5-7 阔叶树种木材适用的强度等级

对尚未列入表5-6、表5-7的进口木材，由出口国提供该木材的物理力学指标及主要材性，由木结构设计规范管理机构按规定的程序确定其等级。

主要承重构件应采用针叶材，重要木制连接件应采用细密、直纹、无节和无其他缺陷的耐腐蚀硬质阔叶材。表5-6和表5-7各强度等级木材的强度设计值和弹性模量按国家标准《木材物理力学实验方法总则》的清材小试件试验确定，具体数值见表5-8。试验数据的含水率为12％

表5-8木材的强度设计值和弹性模量（N/mm2）

3.木材材料性能的影响因素

（1）含水率对木材强度的影响

木材是一种容易吸湿的材料，其含水率随环境变化而变化。木材含水率的变化会影响材料的强度，引起构件收缩或者膨胀，从而影响结构受力，产生裂缝，影响外观，严重时影响构件承载或正常使用。木材过湿还会引起腐烂。

木材强度主要来自于木材纤维。当木材处于纤维饱和点含水率以上时，木材含水率越低，纤维越干，材料强度就越高；当材料处于纤维饱和点含水率以下时，含水率变化不影响纤维中的含水状况，所以材料强度基本没有变化。

木材长期放置于一定的温度和一定的相对湿度的空气中，会达到相对的含水率，此时的木材含水率称为平衡含水率。当木材的实际含水率小于平衡含水率时，木材产生吸湿；当木材的实际含水率大于平衡含水率时，木材水分蒸发，称为解湿。

木材含水率变化会引起木材的膨胀或者收缩，但其值变化沿木材纵向以及沿断面的环向或者径向各不相同。在材料饱和含水率以下时，材料断面的环向与径向收缩率近似与含水率变化成线性比例关系，含水率降低得越低收缩值越大，两者相比沿环向的收缩量比沿径向变化更大；含水率变化对木材纵向尺寸几乎没有什么影响。各向不同的收缩率易引起木材的弯曲、翘曲，影响受力，甚至影响使用。

为避免含水率变化对材料带来不利影响，尽可能采用干燥的木材。所谓干燥的木材一般指其成品含水率达到一定值或以下。此时材料在环境条件下含水率变化较小。我国《木结构设计规范》（GB 50005—2003）对木材含水率的规定为：现场制作的原木或方木结构不应大于15％；板材和规格材不应大于20％；受拉构件的连接板不应大于18％；作为连接件不应大于15％；层板胶合木结构不应大于15％，且同一构件各层木板间的含水率差别不应大于5％。此外，在结构使用木材时先调查环境平均湿度，尽可能采用与环境湿度相近的原材料以减小含水率的变化。材料运输和使用过程中注意防护，避免太阳直射。

木材含水率在纤维饱和点以下时，含水率越高则强度越低。

木材顺纹受拉、受压、受弯及横纹承压，可按下列公式将试件含水率为W％时的强度flw换算成含水率为12％时的强度f12

式中：W——试验时试件的含水率数值，一般在9～15范围内；

α——含水率换算系数，按表5-9采用。

表5-9 含水率换算系数α

续表5-9

（2）温度对木材强度的影响

①温度越高，则木材的强度越低。强度降低的程度与木材的含水率、温度值及其延续作用的时间等因素有关。

②当温度不延续作用时，木材受热的温度不致改变其化学成分的条件（例如通常的气候条件），当温度降低时木材还能恢复其原来的强度。

③气干材受温度为66℃延续作用一年或一年以上时，其强度降低到一定程度后即不会再降低，但当温度降低到正常温度时，其强度也不会再恢复。

④当温度达到100℃以上时，木材才会开始分解为组成它的化学元素（碳、氢和氮）。当温度在40～60℃长期作用时，也会产生缓慢的碳化，促使木材的化学成分逐渐改变。

⑤含水率较大的木材在高温作用下其强度的降低也较大，特别是在高温作用的头2～4天时间内，强度的降低格外显著。

⑥当温度长期作用时，木构件的所有部分将会获得与其环境相同的温度。但在通常气温条件下（例如在房屋中），木材周围的空气温度随季节不同而变动颇大。因此，木构件的温度不一定能达到周围空气的最高温度。

木材的温度和含水率对木材（松木）顺纹受压强度的影响列于表5-10。

表5-10 木材的温度和含水率对木材（松木）顺纹受压强度的影响

续表5-10

注：以W＝15％，t＝15℃时的木材顺纹受压强度为100％。

（3）长期荷载对木材强度的影响

木材具有一个显著的特点，就是在荷载长期作用下木材强度会降低。所施加的荷载愈大，则木材能经受的时期愈短。为使结构荷载作用的时间无论多么长木材都不致破坏，木结构设计以木材的长期强度为依据。

木材的长期强度与瞬时强度的比值随木材的树种和受力性质而不同，一般约为：

顺纹受压0.5～0.59；顺纹受拉0.5。

静力弯曲0.5～0.64；顺纹受剪0.5～0.55。

（4）密度与木材强度的关系

木材强度与其密度之间存在着密切的关系，特别是同一树种的木材更为显著，其密度较大者强度必较高。表5-11中列出部分树种木材密度与其顺纹受压强度之间的关系。

表5-11 木材密度与顺纹受压强度的关系

注：摘自中国林业科学研究报告“湖南、贵州所产杉木的物理力学性质”1957年；“东北白桦、枫桦‘水心材’物理力学性质的研究”1954年；“东北兴安落叶松和长白落叶松木物理力学性质的研究”1957年；“红松木材物理力学性质的研究”1958年。

对于其他树种，当缺乏试验资料时可以近似按式（5-11）估计：

式中：f15、ρ15——分别为含水率为15％时，木材的顺纹受压强度和密度。

（5）纹理方向及超微构造的影响

荷载作用线方向与纹理方向的关系是影响木材强度的最显著的因素之一。拉伸强度和压缩强度均为顺纹方向最大，横纹方向最小。当针对直纹理木材顺纹方向加载时，荷载与纹理方向间的夹角为0°，木材强度最高。当此夹角由小至大变化（相当于不同角度的斜纹情况）时，木材强度和弹性模量将有规律地降低。斜纹时，冲击韧性受影响最显著，倾斜5°时，降低10％；倾斜10°时，降低50％。斜纹对抗拉和抗弯强度的影响较抗压强度要大，木材顺纹抗拉强度在斜度为15°时即下降50％。斜纹对抗压强度的影响随含水率、木材密度的变化而有所不同。当含水率增高或密度增大，木材顺纹、横纹抗压强度的差异程度减小，同时斜纹对抗压强度的影响也减小。

（6）缺陷的影响

节子是结疤和纤维混乱等原因造成的，其结果是有节子的木材一旦受到外力作用，节子及节子周围产生应力集中，与同一比重的无节木材相比，表现出较小的弹性模量。

（7）构件尺寸对木材性能的影响

构件截面越大、构件越长，则构件中包含缺陷（木节、斜纹等）的可能性越大。木节的存在减小了构件的有效截面，产生了局部纹理偏斜，并且有可能产生与木纹垂直的局部拉应力，从而降低了木材的强度。我国《木结构设计规范》中对规格材强度进行了尺寸调整。

（8）系统效应对木材性能的影响

当结构中同类多根构件共同承受荷载时，木材强度可适当提高，这一提高作用可称为结构的系统效应。我国《木结构设计规范》体现在当3根以上搁栅存在且与面板可靠连接时，木格栅抗弯强度可提高15％，即抗弯强度设计值fm乘以共同作用系数1.15。