木料和复合材料的抗压强度实验结果

他说他建造桅杆已经有50多年了，据他所知，它们都完好无损。他说我是他遇到的唯一一个故意要在最紧要的中心部位动刀破坏一根好桅杆的人。他说任何想干这种事的人（在此我把他的措辞进行了温和处理），跟那些在教堂里高声咒骂、往桌布上抹鼻涕的人都是一丘之貉。

……就这样。乔治和我都暗想桅木太容易弯曲了，让人不舒服，但面对那些行家，我们认为将意见藏在心里或许才是明智之举。这样挺好，因为行家就是行家。后来，当我们的主横桅索在可怕的湾流风暴中被吹走时，那根桅杆弯过去，弯过来，又弯过去，直到它看起来像个字母S，但它并没有断裂。

——威斯顿·马特，《南太水手》

在现实生活中，从我们开始处理任意长度的支柱之日起，柱和梁的区别就变得非常混乱。略长的支柱——比如动物的腿骨——几乎总要承受某种程度的弯曲，其结果是凹面处的材料比别处承压更多。反之，在梁或桁架上，尤其是设计精密的那种，“承压弦杆”一定会被视为支杆。如果材料本身在压缩状态下有弱化趋势，那么不管我们将该结构称为“梁”还是“柱”，破坏一般都始于最糟糕处的总压应力达到了危险的水平。对还要承受弯曲的支柱而言，最好的例子是树木和传统帆船的桅杆。树干需要直接承受树木所有部位重量的挤压，但实际上，风压引发弯曲作用导致的应力很可能更大也更重要。此外，桅杆表面上是支杆，只承载轴向压缩，但由于索具的拉伸以及其他原因，它们事实上要承受很大的弯曲，尤其是当索具中的任何东西发生断裂时。

像英国皇家海军胜利号这样的大型舰船，建造其桅杆务必要用铁箍将多块木材连接到一起，但对中等尺寸的桅杆而言，传统的桅杆工匠宁愿使用一整根松木或云杉木，并尽可能维持它们的原状。这些工匠不仅强烈抵触任何这样的建议，即建造或掏空桅杆以产生一个更“有效”的管状截面，他们还执意尽可能少地去除树外表面的东西。换言之，他们会尽其所能地使用天然状态的树木。

多年来，熟知梁理论、中性轴和面积二阶矩的专业工程师对这些荒谬的传统嗤之以鼻。事实上，现代工程师处理树木的头等要务是将之切割成小块，然后再把它们黏合到一起——优先切割成某种空心截面。直到最近，我们才意识到，树木也对此略知一二。此外还有一个精妙之处：树干各部位木材的生长方式是“有预应力的”。

现在，在一根梁上，比如在一架滑翔机的翼梁上，最大的弯曲载荷实际总在一个方向，即便效率不太高，它还是可能使翼梁的承压弦杆比承张弦杆更粗（考虑到木材承压比承张时弱得多的事实）。然而，像树木和桅杆等物体可能需要抵抗来自多个不同方向的弯曲作用——源自反复无常的风向，所以这种解决方案不适合它们。树木在任何情况下都要有一个对称的横截面，通常是一个圆面。对于一个无预应力的截面，弯曲载荷下的应力分布是线性的，如图13-6（a）所示。这样一来，当压应力达到约4000 psi（27 MN/m2）时，梁——树木——就会开始断裂。

这是产生预应力的位置。不知何故，树木的生长方式使外层木材在正常情况下处于承张状态（达到2000 psi或14 MN/m2以上），同时，树木的中部以补偿的方式处于承压状态。因此，在正常情况下，横跨树干的应力分布如图13-6（b）所示。（胡克弹性的一个重要结果是，我们可以安全切实地将一个应力体系叠加在另一个之上。）因此，当把图13-6（a）叠加到图13-6（b）时，我们便得到了图13-6（c）。

借助这个方法，树木的最大压应力会大致减半（4000 psi-2000 psi=2000 psi），其有效的抗弯强度也会因此加倍。的确，最大拉应力已经提升，但木材在这方面仍大有可为。树木以预应力保护自身的方式与我们在制造有预应力的混凝土梁时所做的截然相反。在后一种情境中，混凝土承张能力较弱而承压能力较强；危险在于，当梁弯曲时，破坏可能发生在混凝土的承张面。为了避免这种情形，我们可使梁内强化钢筋永远处于拉伸状态，以便让混凝土永远处于压缩状态。因此，在混凝土表面附近的压应力被解除而代之以拉应力之前，梁必须弯曲到相当大的程度。于是，水泥的开裂会延迟，因为梁会进一步弯曲，直到到达临界抗拉应变。^[3]

图13-6(www.xing528.com)

我们说过，木料和纤维复合材料的承压失败一般是由于弯折或屈曲的纤维上形成了条纹或折痕。我的同事理查德·查普林博士指出，这些压缩折痕和拉伸状态下出现的裂缝有许多共同之处。尤其是，它们常常始于材料上的孔洞或其他缺陷处的应力集中。一般而言，钉子和螺钉之类的紧固件只要在恰当的位置上并紧密配合，就不大会导致木料弱化。然而，一旦它们被移除，随之产生的孔洞就会引发更严重的效应；毫无疑问，木料上的节疤亦如此。因此在高应力的木制结构上，比如滑翔机或帆船桅杆，明智之举是不用不必要的钉子和螺钉，也不要试图将它们拉出。如果有需要，可沿木材表面平齐切去。

而且，如理查德·查普林所说，纤维材料中压缩折痕的形成需要能量。事实上，其所需能量值比材料在拉伸状态下的断裂功高得多。由此可知，压缩折痕的扩展需要应变能，而它们的表现有点儿像格里菲斯裂缝。但是，也有一些重大的差别。

我们说过，在我们一直探讨的材料中，压缩折痕会出现在负载的45°和90°方向上。（它们还能出现在45°和90°之间的其他角度方向上。）45°方向的折痕实际上是一条剪切裂缝，如果条件得宜，它会扩展到整个材料上，非常像剪切状态下的格里菲斯裂缝。然而，对于在材料表面下给定深度的渗透，90°方向的折痕要更短些，因而消耗更少的能量。

基于这个原因，90°方向的折痕总体上更容易出现。然而，即便90°方向的折痕似乎更容易发生，在扩展较短的一段距离之后，它也更有可能止步不前。这是因为随着折痕的推进，其两侧倾向于挤到一起（或“趋向紧实”），不再释放大量的应变能。因此，完全失效不大可能会发生，至少不会立即发生。

这其中可能发生的事情是形成许多小折痕，一个接着一个，都在梁的承压表面上。我们能在木制弓的承压面上看到它们，有时在桨橹上也能看到（见图13-7）。虽然工程师常常鼓吹“高效”的H形截面梁或箱式截面梁，但这可能是个错误。出于显而易见的原因，^[4]当梁截面呈圆形——就像树木——时，应变量的释放条件通常更不利于扩展裂缝或压缩折痕，这或许是大多数木制弓的横截面为圆形背后的理论依据。毫无疑问，这也与动物骨骼的圆横截面有关。

图13-7　树木、桅杆、桨橹或弓等圆木料承压面上的多重压缩折痕。这些折痕可能不会扩展，因而不会完全失效

只要材料在承压状态下持续产生应力，就会对压缩折痕的扩展形成很多阻碍。这就是木材一般来讲如此安全的原因之一。但是，在负载反转的条件下，它可能真的非常危险。这是因为构成压缩折痕的屈曲纤维的抗拉强度很小，甚至为零，所以在张力作用下，折痕表现得像普通裂缝一样。它在拉伸状态下尤其危险，因为裂缝的两侧可以自由地裂开，所以现在对应变能释放的限制也不存在了。

让机翼从飞行中的木制滑翔机上脱离的最好方法之一就是进行一次硬着陆。如果飞机降落伴以真正严重的颠簸，机翼就会顷刻间弯向地面。这可能引发主翼梁上通常作为承张部位的木材出现压缩折痕。如果发生这种情况，你是很难在例行检查时发现这些折痕的。当滑翔机下一次飞行时，翼梁可能在该处发生承张断裂，之后机翼会自然脱落。