木梁抗弯性能试验研究

第28卷第7期 2012年7月 建 筑 科 学 BUILDINGSCIENCE V01．28．No．7 Jul．2012 [文章编号]1002．8528(2012)07-0039-04 木梁抗弯性能试验研究 卡米力·外力，哈斯也提·哈里丁，阿肯江·托呼提，外力·艾比不拉，阿不都塞买提·卡力 (新疆大学建筑S-程学院，乌鲁木齐830047) [摘要]通过对四根矩形截面杨木梁的受弯静力试验，研究了杨木梁的抗弯强度与抗弯弹性模量等主要抗弯性能。测 得木梁在两点集中荷载作用下的跨中应变和挠度数据，了荷载与挠度及应变的关系，计算了杨木的抗弯强度与抗弯弹性 模量。通过进行木材基本力学性能试验，确定了杨木顺纹抗拉、压强度与弹性模量，横纹抗压强度与弹性模量。试验结果为 后期的木梁与木柱、梁一土坯组合墙体有限元数值分析提供了试验依据。 [关键词]木梁；杨木；强度；试验研究；抗弯性能 [中图分类号]TU502+．6[文献标识码]A ExperimentalStudyonBendingBehaviorofWoodB6ams Kamiliwailii，Hasiyetihaliding，Akenjiangtuohuti，Wailiaibibula，Abudusaimaitikali (CollegeofArchitecturalEngineering，XinjiangUniversity，Urumqi830047，China) [Abstract]Thestaticbendingtestson4rectangularpoplarwoodbeamswerecarriedout．Thebendingbehavior，failuremode andtherelationshipbetweenloadanddeflectionaswellasstrainofwoodbeamsareanalyzed．Atthesametime，thebendingstrength andelasticmodulusarecalculated．Throughthebasicmechanicaltest，thecompressivestrength，tensilestrengthandelasticmodulus parallelandperpendiculartothegrainaredetermined，theexperimentaldataofstrainanddeflectionareobtained．Theexperimental resultsprovideareferenceforthelaterfiniteelementnumericalanalysisonwoodbeams．woodcolumnandbeam—adobecompositewall． [Keywords]woodbeam；poplar；strength；experimentalstudy；bendingbehavior 0 引言 木材是一种有机各向异性材料，力学性能因树 种、产地而异，正因为木材的特殊材性，这种材料的 性能很少被了解⋯。梁、枋、檩都属于木结构中的 主要受弯构件，抗弯强度和抗弯弹性模量是受弯构 件的重要力学性能指标。国内对于木梁抗弯性能研 究的焦点较集中于采用纤维、钢材来加固木梁，提高 其抗弯性能方面。王全凤，李飞等人以水杉和松木 作为材料，研究几种纤维材料加固木梁的抗弯性能 并提出纤维加固木梁的抗弯承载力计算公式旧。1。 刘伟庆，杨会峰等人以加工的工程木材以及水杉作 【收稿13期]2011．12．14 【基金项目]国家自然科学基金项目(50768010，50968015)；新疆维 吾尔自治区高等学校科研重点项目 (XJEDU2010109) [作者简介]卡米力·外力(1985-)，男，硕士生 [联系方式】13629949434@163．com 为材料，研究木梁抗弯性能，对受弯构件的结构性能 影响因素进行了分析并考察纤维复合材料对木梁的 加固效果¨引。姬卓等人研究了不同的CFRP材料 粘贴方式和不同的粘贴厚度等因素对于木梁加固效 果的影响旧-。阿肯江．托呼提，亓国庆等人采用 ANSYS软件建立木梁模型，进行弹塑性计算分 析⋯。邹红玉，郑红平等人测量了天然木材和人造 木材的杨氏弹性模量，研究了天然椴木和人造柚木 物理性能随含水率的变化情况¨·。国外有些研究 者提出木材本构模型，并试验来验证了适用性，研究 了钢丝网布或其他材料加固木梁的抗弯性能，进行 了数值模拟和有限元分析∽‘1⋯。对于文献情况来 看，研究杨木力学性能的文献较少，通过试验来确定 木材的材性参数，对木结构设计与数值模拟计算具 有较大的实际意义。 本文以在新疆各地广泛采用的杨木作为研究对 象，通过材性试验得到杨木的抗拉，抗压强度与弹性 万方数据 建筑科学 第28卷 模量；通过对矩形截面木梁进行弯曲试验，研究杨木 的抗弯性能，从而为后期的木梁有限元分析，木柱、 梁一土坯组合墙体研究和木梁设计提供试验依据。 1试件设计 试验所用的木材为新疆塔城的杨木，木材抗拉， 抗压和受弯试件均选用同一批次的木材。木材顺纹 抗拉，顺纹抗压和横纹抗压试件按国标要求的尺寸 制作⋯451，含水率按照木材含水率测定方法¨引的要 求进行测量。试件个数和含水率如表1所示。 表1试件个数和含水率 注：表中含水率是指平均含水率 弯曲试验对矩形截面木梁进行受弯静力试验。 考虑到实际木梁常用尺寸并与后期的ANSYS有限 元分析取值对比方便，木梁截面尺寸和长度定为宽 ×高×长=100ram×140mm×2000mm(长度方向是 梁纵向顺纤维方向)，梁净跨为1800ram，共有四根。 为了避免应力集中，木梁加载处和两端支座处设置 尺寸为100mm×200mm×10ram的钢垫块。 2拉一压试验 拉一压试验在新疆大学力学实验室进行。图1 ～图3为试件破坏后的情况。通过材性试验，得出 的结果如表2所示。 趔贼尽 图l顺纹受压试件 图2顺纹受拉试件 图3横纹受压试件 表2扬木抗拉、压强度及弹性模■ 表2中数值均为平均值，横纹抗压试件强度是指比例极限应力。 3 弯曲试验 3．1 加载及测■方案 弯曲试验是在新疆大学建筑工程学院结构实验 室高精度静态伺服液压控制台上进行。加载方式为 通过分配梁两点集中加载，加载方向垂直于木材纵 向纤维方向。整个加载过程分两个阶段，分别用于 测量抗弯弹性模量和抗弯强度。第一阶段从0开始 分级加到8．4kN，每级荷载为2．1kN，然后卸载到 2．1kN。之后从2．1kN分级加到8．4kN，反复进行四 次；第二阶段从0开始分级加载，每级荷载为 2．1kN。加至破坏。 试验测量内容为木梁跨中截面应变、跨中位移 和支座沉降。在跨中截面顶部和底部各分别设置三 个应变片，跨中截面侧面沿高度方向设置五个应变 片。梁跨中设置一个双向位移计，加载点下部和支 座上部分别设置四个百分表(见图4)。支座处木梁 两侧设置侧向支撑(见图5)，以防平面外发生屈曲、 扭曲。 图4加载装置和测点布置设计图 图5加载装置和测点布置实景图 为了消除支撑对木梁受弯性能的影响，侧向支 撑与木梁两侧接触方式设置为点式接触，接触点在 木梁中性轴线与支座线相交处。木梁跨中界面应 变、跨中位移均由DH-3816静态应变测试系统同步 采集，支座沉降位移采用百分表人工采集。试验之 前，通过反复测量小型等截面悬臂梁应变并进行弹 性计算，验证了采集数据的正确性。 万方数据 第7期 b米力·外力，等：木梁抗弯性能试验研究 41 3．2破坏形态及极限承载力 构件在加载前期，材料基本处于弹性状态。随 着荷载的增加，跨中挠度和应变增大，支座几乎没有 沉降，可忽略不计。木梁在达到极限荷载之前，可以 听到轻微的木纤维断裂声，但表面没有出现明显的 裂缝。加载后期木梁表现出一定的塑性变形，刚度 有所降低，变形渐趋明显，不断发出响声，随后木梁 受压区缺陷处发生局部翘曲，伴随着“啪”的一声巨 响，木梁受拉区纤维发生脆性断裂，失去承载力。卸 载后，变形部分回弹，但仍保持部分残余变形。除了 ML-4外所有梁破坏点为跨中或加载点有木节处。 因木节和干裂对木材力学性能的影响较大，荷载加 到19kN时，在ML-4靠近梁中性轴的裂缝迅速发 展，木梁受拉和受压区之间发生错开，随着荷载的增 大，错开位移增大，荷载加到30．2kN时梁受拉区木 纤维拉断而破坏。图6为木梁典型的破坏形态。 虱6术粱典型的破坏形态 从图6中可以看到木梁均由于受拉区木纤维先 达到极限拉应变而破坏，属于受弯破坏。木梁极限 荷载，极限承载力和弹性模量平均值如表3所示。 试验中ML-4(干裂后的裂缝宽度约1～3ram， 长度约1050mm，深度约1～5mm)比同截面梁ML一1 极限承载力低于17．3％。 3．3曲线及分析 图7为木梁荷载一挠度曲线。由图7可见，木 梁荷载一挠度曲线分为线性阶段和屈服阶段两个部 分。荷载前期荷载一挠度曲线为线性，之后木梁进 i： 最一 倒．1 ．-21 为7 8 10 12 14 测点位置／cm 玉40伽 o200目 餐 o ．2000 -4000 -6000 入塑性阶段，此时挠度增加加快。试件破坏前挠度 较大，破坏时木纤维突然断裂，属脆性破坏。 表3木梁抗弯强度与抗弯弹性模■ 50 40 Z 《30 瓣 挂20 ● 10 图8为木梁跨中截面应变变化曲线。图中测点 位置0—14em均为木梁自顶部到底部的位置。由 图可见，木梁截面应变基本呈线性，符合平面假定。 荷载加到弹性极限时，受压区木纤维逐渐进入塑性 状态，受压弹性模量减少，发生截面内力重分布，为 了达到新的平衡，梁中性轴逐渐往下移动。在达到 极限荷载时中性轴往下移动距离约1．0—1．5em。 图9为木梁荷载一应变关系曲线。由图9可 知，加载前期随着荷载的增加，木梁跨中截面拉压应 变逐渐增加。当荷载约加50％到极限荷载时，木梁 跨中截面中间位置的测点3的拉应变转变为压应 变，这种变化也说明木梁中性轴往受拉区方向移动。 ◆囔 图8木梁跨中截面应变变化曲线 ；r 8 10 12 14 测点位置／cm 万方数据 42 建筑科学 第28卷 -4000．3000．2000．10000 10002000300040005000．8000．6000-4000．20000 2000400060008000-4000-3000．2000-10000 10002000300040005000 应变／IOE．6 应变／10E．6 应变／10E一6 图9木梁荷载一应变关系曲线 4 结 语 (1)通过材性试验得出的杨木顺纹抗拉强度和 弹性模量分别为：74．90MPa，8．431GPa，顺纹抗压强 度和弹性模量分别为：38．94MPa，2．021GPa，横纹 抗压比例极限和弹性模量分别为：4．891MPa，0．151 GPa。 (2)通过木梁弯曲试验，得出杨木的平均抗弯 弹性模量和平均抗弯强度分别为：7．399GPa， 32。439kN。 (3)当木梁受压区应变达到曲屈服极限时，梁 中性轴开始往下移动，最大移动距离1．0cm～ 1．5cm。荷载加到极限荷载时木梁还是因受拉区木 纤维被拉断而破坏。 (4)木材的自然缺陷(如木节、干裂)对木梁受 弯性能的影响很大，实际应用当中尽量避免选用带 有较大缺陷的木材。 (5)本文得出的试验数据，为利用ANSYS软件 对木梁及木柱、梁一土坯组合墙体的抗震性能进行 数值模拟分析提供试验依据。有关这方面的内容将 有另文发表。 [参考文献] [1]阿肯江·托呼提，亓国庆．基于ANSYS的木梁有限元静力弹 塑性分析[J]．世界地震工程，2007，23(3)：152～157． 王全凤，李飞，陈浩军，等．GFRP加固木梁抗弯性能的试验研 究与理论分析[J]．建筑结构，2010，40(5)：50—52． 李飞．FRP加固木梁抗弯性能的试验研究[D]．福建泉州： 华侨大学土木工程学院，2009． 支q伟庆，杨会峰．工程木梁的受弯性能试验研究[J]．建筑结 构学报，2008，29(1)：90—95． 杨会峰，刘伟庆，邵劲松，等．FRP加固木粱的受弯性能研究 [J]．建筑材料学报，2008，11(5)：591—597． 姬卓．CFRP材料加固木梁性能研究[D]．上海：上海交通大 学船舶海洋与建筑工程学院，2009． 邹红玉，郑红平．木材弹性模量的测量与材料力学性能[J]． 实验室研究与探索，2009，28(7)：33—35． M．Oudjene，M．Khelifa．Finiteelementmodellingofwooden structuresatlargedeformationsandbrittlefailureprediction[J]． MaterialsandDesign，2009，30：4081～4087． A．Borri，M．Corradi．Strengtheningoftimberbeamswithhigh strengthsteelcords[J]．Composites：PartB，2011，42：1480— 1491． R．D．S．G．Campilho．M．FS．F．demoura．Experimentaland numericalevaluationof compositerepairsonwoodbeams damagedbycross·graining[J]．ConstructionandBuilding Materials，2010。24：531—537． GB／T1935-2009，木材顺纹抗压强度试验方法[S] GB／T1938-2009，木材顺纹抗拉强度试验方法[S] GB／T1939-2009，木材横纹抗压试验方法[S]． GB／T1936．1-2009，木材抗弯强度试验方法[S]． GB／T50329-2002，木结构试验方法[S]． GB／T1931-2009，木材含水率测定方法[S]． (上接第51页) [5]徐芝纶．弹性力学[M]．(4版)，北京：高等教育出版社， 2006． [6]GB／T228-2002．金属材料拉伸试验方法[S]． [7]GB／T2975-1998．钢材力学及工艺性能试验取样[S]． [8]王春玲．塑性力学[M]．北京：中国建材工业出版社，2006． [9]WardenierJ．著．张其林，刘大康，译．钢管截面的结构应用 [M]．上海：同济大学出版社，2004． 2 3 4 5 6 7 8 9 K } } [ [ [ 万方数据 木梁抗弯性能试验研究 作者： 卡米力·外力， 哈斯也提·哈里丁， 阿肯江·托呼提， 外力·艾比不拉， 阿不都塞买提·卡力， Kamili wailii， Hasiyeti haliding， Akenjiang tuohuti， Waili aibibula， Abudusaimaiti kali 作者单位： 新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐,830047 刊名： 建筑科学 英文刊名： Building Science 年，卷(期)： 2012,28(7) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jzkx201207009.aspx