杨木旧材高温作用后力学性能试验研究.pdf

书书书收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）。作者简介：毛筱霏（），男，陕西西安人，副教授，工学博士，研究方向为古建筑加固及保护。杨木旧材高温作用后力学性能试验研究毛筱霏王杰张艳艳代兴鹏（西安建筑科技大学，陕西 西安 ）摘要：依托新疆玉儿滚军垦旧址保护项目，采用火灾后未过火原木制作杨木旧材的标准无疵小试样，考虑温度、恒温时间两种因素高温处理试样并进行抗拉、抗压力学性能试验，探究木材顺纹和横纹方向上的主要力学性能演化规律。在试验基础上，建立了顺纹杨木旧材抗压本构模型。试验结果表明：高温处理后，顺纹木材抗压强度整体下降幅度为 ，横纹木材抗压强度整体下降幅度为 ；顺纹木材和横纹木材的抗拉强度均显著下降，为 。建立的本构模型曲线与试验结果相比，误差在 以内，可适用于相应木材力学性能分析。关键词：杨木旧材；高温作用；力学性能；本构模型中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，：，：；第 卷第 期 年 月 北京工业职业技术学院学报 引言木结构是我国传统建筑形式的主流体系，由于木材本身易燃且极易受高温影响，木结构建筑在抗火性能上具有严重缺陷。依据 中国文物古迹保护准则，在文物保护与修复过程中应最大程度保留原材料、原构件，故而经历火灾等高温状态后木结构构件的计算分析与安全性评估成为目前研究的热点课题 。近年来，很多学者对木结构构件高温后的炭化机理及力学性能进行了大量的试验研究并卓有成效。等 探究了径向裂缝对木构件炭层深度、点火时间和剩余强度的影响，发现裂缝区域炭化深度明显增加，构件刚度降低幅度较小，挠度明显增加。张晋等 通过室内自然火灾试验，证明室内自然火灾中炭化速率主要与室内温度和炭化层脱落情况有关。此外，部分学者探究了木材本身高温作用后的力学性能演化规律。吕清芳等 进行了正交胶合竹单面火损后力学性能试验，得到了不同火损时长、不同阻燃方式对试件炭化性能及承载力的影响结果。岳孔等 对高温后花旗松构材进行力学性能试验，并通过扫描电镜观测揭示花旗松构材力学性能劣化机理。但以上研究主要集中于整体结构中各木构件的影响因素以及防火安全设计，对高温后木材本身的力学性能演化规律研究较少，在木材本构模型的建立方面也有待进一步研究。本文依托新疆玉儿滚军垦旧址保护项目，选用未过火原木制作杨木旧材的标准无疵小试样，考虑温度、恒温时间两种因素进行高温处理，通过抗拉、抗压力学性能试验，探究杨木旧材在顺纹和横纹方向的力学性能受温度和恒温时间影响的规律；在试验基础上，选择受高温作用影响最小的一类工况，构建高温后的本构模型，以期为高温作用后木结构构件的计算分析与安全性评估提供依据。杨木旧材力学性能试验 试验材料的选择试验材料选自新疆玉尔滚军垦旧址（以下简称“旧址”）。旧址位于新疆阿克苏地区，是新疆生产建设兵团在阿克苏地区屯垦戍边的重要设施遗存，具有重要的政治、文化和历史价值，目前为新疆维吾尔自治区区级保护单位。旧址兴建于 年，主体均为仿苏式建筑，屋架、檩条等木质构件均为杨木材质。近年来，由于年久失修以及火灾影响，建筑构件残损严重，亟待保护修复。试件处理与试验方案试件选取旧址内未过火的屋架木梁，材质为杨木。依据 木材物理力学试验方法总则（）制作试件，然后将试件放置于、相对湿度 的室内环境中密封保存，后续将试件放在 型中温试验炉中进行升温处理。选择试验温度 、，恒温时间 、。试验方案采用正交试验设计法，考虑木材为各向异性材料，将试件分为顺纹受压、横纹受压、顺纹受拉及横纹受拉四大类；每类试件依据不同温度与恒温时间分为 种，外加常温对照组，共计 种；每种试件制作 个，取其数据平均值作为结果；总计制作试件 个。试验加载采用 型万能试验机对试件进行拉压试验。试件的尺寸如图 所示。（）顺纹受压试件（）横纹受压试件（）顺纹受拉试件（）横纹受拉试件图 试件尺寸示意图北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷试件内部虚线表示木材纹路方向；受压试件沿高度方向加载，受拉试件沿长度方向加载。试验加载速度为 ，通过控制及采集系统导出数据进行相应的处理。高温后木材力学性能研究 抗压性能研究图 为不同温度及不同恒温时间对不同纹路杨木旧材抗压强度的影响变化图。（）顺纹杨木旧材（）横纹杨木旧材图 不同温度及恒温时间对杨木旧材抗压强度的影响变化图由图 （）可知，常温对照组的顺纹木材抗压强度为 ，经过高温处理后，整体下降幅度为 。温度为 、时，顺纹木材抗压强度整体呈下降趋势，表明木材含水率降低，半纤维素逐渐降解；温度为 时，顺纹木材抗压强度先降后升，表明半纤维素降解加剧，木质素比重增加，使得木材强度有所提高；温度为 时，顺纹木材抗压强度先升后降，此时，木材木质素及纤维素逐渐降解，并随恒温时间增加进一步加剧。由图 （）可知，常温对照组的横纹木材抗压强度仅为 ，是顺纹木材抗压强度的 ；经过高温处理后，横纹木材抗压强度整体下降幅度为 ，相比顺纹方向降幅更大，体现了横纹方向对高温作用的敏感性。温度为 时，横纹木材抗压强度先降后升，变化率分别为 、；温度为 时，横纹木材抗压强度先升后降，变化率分别为 、；温度为 、时，横纹木材抗压强度整体呈下降趋势，分别下降 、。其中，恒温时间为 时，对应的抗压强度高于 对应的抗压强度，表明木材内部木质素等元素的降解会使得横纹木材抗压强度呈现不降反增的现象。抗拉性能研究图 为不同温度及不同恒温时间对不同纹路杨木旧材抗拉强度的影响变化图。（）顺纹杨木旧材（）横纹杨木旧材图 不同温度及恒温时间对杨木旧材抗拉强度的影响变化图第 期毛筱霏，等：杨木旧材高温作用后力学性能试验研究由图 （）可知，常温对照组的顺纹木材抗拉强度为 ，经过高温处理后，整体下降幅度为 ；与顺纹木材抗压强度相比，变化幅度更大，表明木材抗拉性能更易受高温影响。温度为 、时，顺纹木材抗拉强度整体均呈下降趋势，分别下降 、；温度为 时，顺纹木材抗拉强度先升后降，幅度变化分别为 、。试验表明，半纤维素、木质素、纤维素的变化共同决定了木材的力学性能变化。由图 （）可知，横纹木材抗拉强度数值较小，常温时为 ，是顺纹木材抗拉强度的 ；经过高温处理后，横纹木材抗拉强度整体下降幅度为 ，与顺纹木材抗拉强度变化幅度相近。与顺纹木材抗拉强度相比，横纹木材抗拉强度在 、时就已呈现上升趋势，表明此时木质素比重开始增加，使得横纹木材的抗拉性能加强，异于顺纹方向；当温度为 、时，横纹木材抗拉强度整体呈下降趋势，变化幅度分别为 、。试验结果对比分析由试验结果可知，木材高温后的力学性能在不同方向、不同加载方式下呈现不同的变化规律，且差异较大。经过高温处理后，顺纹木材抗压强度整体下降幅度为 ，横纹木材抗压强度整体下降幅度为 ；顺纹木材和横纹木材的抗拉强度均显著下降，约为 。其中，相比于顺纹方向，木材横纹方向强度较小，且较早出现强度提高阶段。综上所述，顺纹木材抗压强度受高温作用影响最小，且本身强度较大，具有进一步研究的价值；考虑文物保护及工程实际，在试验基础上，对高温后顺纹木材抗压本构模型进行研究十分必要。高温后顺纹木材抗压弹塑性本构模型研究木材是一种各向异性多孔材料，在不同方向呈现不同的本构特性 。本文基于试验数据的回归分析和基于损伤力学的损伤本构模型，建立高温后顺纹木材抗压本构模型。基本假定在木材的整个受力过程中，顺纹木材压缩变形可分为两个阶段：弹性变形阶段，应力 应变呈线性关系；塑性变形阶段，荷载增加较小但变形加大，试件处于非线性强化状态。依据损伤力学相应理论，可将损伤因子 引入顺纹木材压缩本构探究的过程。假定试件在弹性变形阶段没有初始损伤，且不会向弹性运动发展；在塑性变形阶段，可通过一个多项式公式来表达其力学行为。顺纹杨木旧材抗压应力 应变关系的损伤演化方程表述如下。?（）式（）中：，为与温度、恒温时间相关的系数；为应变；为弹性比例极限应变；为损伤因子。本构模型建立表 为顺纹木材抗压的弹性比例极限应变 与温度 以及恒温时间 的对应关系表，由 型万能试验机数据导出得到。表 顺纹木材抗压弹性比例极限应变与温度及恒温时间对应关系表序号温度 恒温时间 弹性比例极限应变 对表 的数据进行回归分析，得到弹性比例极限应变 与温度 及恒温时间 的关系式。（）依据图 （）的顺纹木材抗压强度试验数据，利用回归分析得到温度 与恒温时间 共同作用下顺纹杨木旧材的抗压强度 （，）。（，）（）北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷为描述温度 和恒温时间 共同作用对木材顺纹方向上应力 应变关系的影响，引入温度弱化影响因子 （，），定义高温处理后的顺纹杨木旧材抗压强度 （，）与初始顺纹抗压强度 的比值即为（，）。（，）（，）（）（）考虑损伤因子影响，引入公式（），可得高温后顺纹杨木旧材抗压的本构方程。弹性变形阶段的本构方程 （）（）塑性变形阶段的本构方程 （）（）（）式（）、式（）中：为应力，为木材初始情况下顺纹抗压弹性模量。基于顺纹杨木旧材抗压试验数据，通过回归分析得到系数 ，的数值，如表 所示。表 高温作用后顺纹杨木旧材抗压本构方程系数拟合值序号温度 恒温时间 根据表 数据进行回归分析，可以得到 ，与温度 及恒温时间 的关系式。（）本构模型验证顺纹木材不同恒温时间试验数据与计算数据对比如图 所示，试验数据取自每种试件 组数据中偏差较小的一组。由图 可知，试验数据与计算数据的变化趋势相近，线型由初始直线段逐渐转为曲线，表明顺纹木材抗压的应力 应变曲线可以划分为弹性变形阶段与塑性变形阶段，且模型计算结果与试验结果的误差均在 以内，拟合状况良好。第 期毛筱霏，等：杨木旧材高温作用后力学性能试验研究（）时数据对比图（）时数据对比图（）时数据对比图（）时数据对比图图 顺纹木材不同恒温时间试验数据与计算数据对比图 结论本文依托新疆玉儿滚军垦旧址，通过试验探究了杨木旧材在顺纹和横纹方向上力学性能受温度和恒温时间影响的规律。木材高温后的力学性能在不同方向、不同加载方式下呈现不同的变化规律，且差异较大；其中，顺纹木材抗压强度受高温作用影响最小，且本身强度较大，具有进一步研究的价值。根据试验数据构建了顺纹杨木旧材抗压本构模型，分别给出了弹性变形阶段、塑性变形阶段的本构方程；与试验结果相比，计算值与试验值误差在 以内，为高温作用后木结构构件的计算分析与安全性评估提供了相应依据。参考文献 ，：，（）：，（）：张晋，孙一鸣，王跃翔，等 室内火灾作用下正交胶合木结构受火性能研究 建筑结构学报，（）：吕清芳，王维扬，刘烨 正交胶合竹板单面火损后力学性能试验研究 东南大学学报（自然科学版），（）：岳孔，刘伟庆，程秀才，等 高温中花旗松结构材顺纹抗压强度试验研究 华中科技大学大学学报（自然科学版），（）：江绍飞，乔泽惠，吴铭昊，等 考虑环境与荷载长期共同作用的木材本构模型研究 建筑结构学报，（）：王明谦，宋晓滨，顾祥林 基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析 土木工程学报，（）：王明谦，顾祥林，宋晓滨，等 木材非线性受力行为的表征方法研究进展 建筑结构学报，（）：（责任编辑：黄宇婷）北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷