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木材强度及影响因素分析

时间:2023-10-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:抗拉强度顺纹抗拉强度是指拉力方向与木材纤维方向一致时的强度。以木材的顺纹抗压强度为1,木材各种强度之间的比例关系见表9.1。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时,仅是细胞腔内自由水的变化,木材的强度不改变。木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最高强度称为持久强度。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低,对顺纹抗压强度影响较小。斜纹木材严重降低其顺纹抗拉强度,对抗弯强度影响次之,对顺纹抗压影响较小。

木材强度及影响因素分析

木材的强度包括抗压、抗拉、抗弯和抗剪强度。由于木材是各向异性材料,因而其抗压、抗拉和抗剪强度又有顺纹和横纹的区别。

(1)抗压强度

木材的顺纹抗压强度是指压力作用方向与木材纤维方向平行时的强度,这种受压破坏是因细胞壁失去稳定而非纤维的断裂。木材的横纹抗压强度是指压力作用方向与木材纤维垂直时的强度,这种破坏是由于细胞腔被压扁产生极大的变形而造成的。

木材的横纹抗压强度比顺纹抗压强度低得多,一般针叶树横纹抗压强度约为顺纹抗压强度的10%,阔叶树这个比值为15%~20%。

(2)抗拉强度

顺纹抗拉强度是指拉力方向与木材纤维方向一致时的强度。这种受拉破坏往往不是纤维被拉断而是纤维间被撕裂。顺纹抗拉强度是木材所有强度中最高的,但在实际应用中,由于木材存在的各种缺陷(如木节、斜纹、裂缝等)对其影响极大,同时,受拉构件连接处应力复杂,使木材的顺纹抗拉强度难以充分利用。

木材的横纹抗拉强度很低,仅为顺纹抗拉强度的10%~20%。工程中一般只利用木材的顺纹抗拉强度。

(3)抗弯强度

木材受弯时内部应力十分复杂,构件上部为顺纹受压,下部为顺纹抗拉,水平面内则有剪切力。木材受弯破坏时,首先是受压区达到强度极限,产生大量变形,但构件仍能继续承载,随后受拉区也达到强度极限,纤维间的连接被撕裂及纤维的断裂导致最终破坏。

(4)抗剪强度

木材受剪切作用时,因剪切面和剪切方向的不同,分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种,如图9.2所示。

图9.2 木材的剪切

顺纹剪切破坏是由于纤维间连接撕裂产生纵向位移和受横纹拉力作用所致;横纹剪切破坏完全是因剪切面中纤维的横向连接被撕裂的结果;横纹切断破坏则是木材纤维被切断。横纹切断强度最高,顺纹剪切强度次之,横纹剪切强度最低。

以木材的顺纹抗压强度为1,木材各种强度之间的比例关系见表9.1。

表9.1 木材各强度大小关系

(5)影响木材强度的主要因素

1)含水量

木材的强度受含水量影响很大。当木材含水率在纤维饱和点以下时,随含水率降低,即吸附水减少,细胞壁趋于紧密,木材强度提高;反之,当含水率升高时,由于亲水的细胞壁逐渐软化而使木材强度降低。当木材含水率在纤维饱和点以上变化时,仅是细胞腔内自由水的变化,木材的强度不改变。

当木材含水率为W时,顺纹抗拉强度及抗压强度按下式计算:

式中:σW——含水率为W时的木材顺纹抗拉强度或抗压强度,MPa;

Pmax——破坏荷载,N;(www.xing528.com)

b——试样宽度,mm;

t——试样厚度,mm。

当木材含水率为12%时,湿度按下式计算:

σ12W[1+a(W-12)]

式中:σ12——含水率为12%时的木材强度,MPa;

σW——含水率为W%时的木材强度,MPa;

W——试验时木材含水率,%;

a——校正系数,随荷载种类和力作用方式而异。

顺纹抗压:a=0.05

顺纹抗拉:阔叶树a=0.015

针叶树a=0

当木材含水率在9%~15%范围时,湿度按上式计算有效。

2)负荷时间

图9.3 木材的持久强度

木材对长期荷载的抵抗能力不同于短期荷载。木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最高强度称为持久强度。木材的持久强度比短期荷载作用下的极限强度低得多,一般为短期极限强度的50%~60%,如图9.3所示。这是由于木材在外力作用下会产生等速蠕滑,经过长时间负荷后,最后达到急剧产生大量连续变形而引起破坏。

木结构通常都处于长期负荷状态,因此,在设计时应考虑负荷时间对木材强度的影响。

3)环境温度

木材的强度随环境温度升高而降低。当温度由25℃升到50℃时,针叶树抗拉强度降低10%~15%,抗压强度降低20%~24%。若木材长期处于60~100℃以下,会引起水分和所含挥发物的蒸发,强度下降,变形增大,颜色呈暗褐色。温度超过100℃以上时,木材中部分组成会分解、挥发,色渐变黑,强度明显下降。因此,长期处于50℃以上的建筑物不宜采用木结构。

4)疵病

木材在生长、采伐、保存的过程中,所产生的内部和外部的缺陷,统称为疵病,木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。一般木材或多或少都存在一些疵病,使木材的物理力学性质受到影响。

木节分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种,活节影响较小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低,对顺纹抗压强度影响较小。在木材受横纹抗压和剪切时,木节反而增加其强度。

斜纹即木纤维与树轴成一定夹角。斜纹木材严重降低其顺纹抗拉强度,对抗弯强度影响次之,对顺纹抗压影响较小。裂纹、腐朽、虫害等疵病,会造成木材构造的不连续性和破坏其组织,因此严重影响木材的力学性质,有时甚至使木材完全失去使用价值。

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