1.木材的强度
木材是非匀性的各向异性材料,不同的作用力方向其强度差异很大。
木材常用的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度。其中,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹为作用力方向与木材纤维方向平行;横纹为作用力方向与木纤维方向垂直。木材强度的检验是用无斑点的木材制成标准试件,按《木材物理力学试验方法总则》(GB/T 1928—2009)进行测定的。
(1)抗压强度。木材的抗压强度可分为顺纹抗压和横纹抗压。
1)顺纹抗压强度为作用力方向与木材纤维方向平行时的抗压强度。这种破坏主要是木材细胞壁在压力作用下的失稳破坏,而不是纤维的断裂。顺纹抗压强度在建筑工程中常用于柱、桩、斜撑及桁架等承重构件,它是确定木材强度等级的依据。
2)横纹抗压强度为作用力方向与木材纤维方向垂直时的抗压强度,这种作用是木材横向受力压紧产生显著变形而造成的破坏,相当于将细胞长的管状细胞压扁。木材的横纹抗压强度不高,比顺纹抗压强度低得多,在实际工程中也很少有横纹受压的构件。
(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抗拉强度。这种受拉破坏理论上是木纤维被拉断,但实际往往是木纤维未被拉断,而纤维间先被撕裂。
1)木材顺纹抗拉强度最大,大致为顺纹抗压强度的2～3倍,可达到50～200MPa。
2)木材的缺陷(如木节、斜纹等)对顺纹抗拉强度影响极为显著。这也使顺纹抗拉强度难以在工程中被充分利用。
3)横纹抗拉强度是指拉力方向与木纤维垂直时的抗拉强度。木材细胞横向连接很弱,横纹抗拉强度最小,为顺纹抗拉强度的1/20～1/40,工程中应避免受到横纹拉力作用。
(3)抗弯强度。木材受弯曲时内部应力比较复杂,在梁的上部是受到顺纹抗压,下部为顺纹抗拉,而在水平面中则有剪切力,木材受弯破坏时,受压区首先达到强度极限,开始形成微小的不明显的皱纹,但并不立即破坏,随着外力增大,皱纹慢慢地在受压区扩展,产生大量塑性变形,当受拉区域内许多纤维达到强度极限时,最后因纤维本身及纤维间连接的断裂而破坏。
木材的抗弯强度很高,通常为顺纹抗拉强度的1.5～2倍。在建筑工程中常用于地板、梁、桁架等结构中。用于抗弯的木构件应尽量避免在受弯区有斜纹和木节等缺陷。
(4)抗剪强度。木材的抗剪强度是指木材受剪切作用时的强度。其可分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种,如图8-20所示。
图8-20 木材的剪切
(a)顺纹剪切;(b)横纹剪切;(c)横纹切断
木材因各向异性,故各种切断差异很大。当顺纹抗压强度为1时,木材各项强度之间的比例关系见表8-5。(www.xing528.com)
表8-5 木材各项强度之间的比例关系
2.木材强度的影响因素
(1)木材纤维组织的影响。木材受力时,主要靠细胞壁承受外力,厚壁细胞数量越多,细胞壁越厚,强度就越高,则所含夏材的百分率越高,木材的强度也越高。
(2)含水率的影响。木材的含水率在纤维饱和点以下变化时,随着含水率降低,木材强度增大;当含水率在纤维饱和点以上变化时,基本上不影响木材的强度。这是因为含水率在纤维饱和点以下时,含水量减少,吸附水减少,细胞壁趋于紧密,故强度增高,含水量增加使细胞壁中的木纤维之间的黏结力减弱,细胞壁软化,故强度降低;含水率超过纤维饱和点时,主要是自由水的变化,对木材的强度无影响。含水率的变化对各强度的影响是不一样的。对顺纹抗压强度和抗弯强度的影响较大,对顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度影响较小,如图8-21所示。
图8-21 含水率对木材强度影响
1—顺纹抗拉;2—抗弯;3—顺纹抗压;4—顺纹抗剪
(3)负荷时间的影响。木材在长期荷载作用下,即使外力值不变,随着时间延长木材也将发生较大的蠕变,最后达到较大的变形而破坏。这种木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度,称为持久强度。木材的持久强度比其极限强度小很多,一般为极限强度的50%～60%。
木材的长期承载能力远低于暂时承载能力。这是因为在长期承载情况下,木材会发生纤维等速蠕滑,累积后产生较大的变形而降低了承载能力的结果。实际木结构中的构件均处于某种负荷的长期作用下,故在设计木结构时,应考虑负荷时间对木材强度的影响。
(4)温度的影响。随环境温度升高,木材中的细胞壁成分会逐渐软化,强度也随之降低。一般气候下的温度升高不会引起化学成分的改变,温度恢复时会恢复原来强度。
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%。当木材长期处于60 ℃～100 ℃时,会引起水分和所含挥发物的蒸发而呈暗褐色,强度下降,变形增大。温度超过140 ℃时,木材中的纤维素发生热裂解,色渐变黑,强度明显下降。当温度降至0 ℃以下时,木材中水分结冰,强度将增大,但木质变脆。因此,长期处于高温的建筑物,不宜采用木结构。
(5)木材的疵病。木材在生长、采伐及保存过程中,会产生内部和外部的缺陷,这些缺陷统称为疵病(图8-22)。木材的疵病主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽及虫害等,这些疵病将影响木材的力学性质,但同一疵病对木材不同强度的影响不尽相同。
木节可分为活节、死节、松软节、腐朽节等,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或破坏其组织,严重影响木材的力学性质,有时甚至能使木材完全失去使用价值。
图8-22 木材的疵病
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