机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度.pdf

第 26 卷第 6 期2023 年 6 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.6Jun.，2023机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度龙卫国1，欧加加1，陈迪1，刘宜丰1，钟永1，2，*（1.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610042；2.中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091）摘要：以杉木锯材为研究对象，对比了不同强度等级机械应力分级杉木锯材的动态弹性模量范围和试样数，探究了机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度概率分布规律，并开展了机械应力分级杉木锯材顺纹抗拉的可靠度分析.结果表明：可基于动态弹性模量对杉木锯材进行机械应力分级，机械应力分级杉木锯材位于主要强度等级材质区域 Q2、Q3、Q4的试样数占比超 90.0%，其顺纹抗拉强度的最优概率分布为对数正态分布；杉木锯材顺纹抗拉强度设计值明显高于未分级和目测分级杉木锯材.关键词：杉木锯材；强度等级；机械应力分级；顺纹抗拉强度；可靠度；设计值中图分类号：TU366.2文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.10079629.2023.06.011Tensile Strength Parallel to Grain of Chinese Fir Lumber Graded by Mechanical StressLONG Weiguo1，OU Jiajia1，CHEN Di1，LIU Yifeng1，ZHONG Yong1，2，*（1.China Southwest Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610042，China；2.Research Institute of Wood Industry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）Abstract:Taking Chinese fir lumber as the research object，the dynamic elastic modulus range and the number of samples of mechanical stress graded lumber（MSGL）with different strength grades were compared，and the probability distribution and the reliability analysis for tensile strength parallel to grain of MSGL were explored.The results show that mechanical stress grading of Chinese fir lumber can be carried out based on dynamic elastic modulus.The number of samples of MSGL located in the main strength grade areas Q2，Q3 and Q4 exceeds 90.0%，and the optimal probability distribution for tensile strength for MSGL is the lognormal distribution.The design value of tensile strength for MSGL is significantly higher than that of ungraded and visual graded lumber.Key words:Chinese fir lumber；strength grade；mechanical stress graded；tensile strength parallel to grain；reliability；design value杉木的分布面积和蓄积量在中国人工林中均排第一，其自古以来就是中国最主要的建材之一1.但由于中国现代木结构发展较晚，国产结构用材体系尚未完善，结构用木材产品基本完全依靠进口，杉木等 国 产 木 材 主 要 限 制 于 家 具、门 窗 等 非 结 构 用领域23.中国现有方木与原木结构体系中的木材强度指标是以清材无疵小试件测试数据为基础构建的，其强度设计值仅取决于树种类别4.目前，国外一般采用目测分级或机械应力分级方法对锯材进行分等，并以足尺破坏性试件测试数据为基础56.机械应力分级方法主要有静态和无损动态2种测试方法23.文章编号：10079629（2023）06065307收稿日期：20220709；修订日期：20220908基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目（2019YFD1101001）第一作者：龙卫国（1967），男，江西吉水人，中国建筑西南设计研究院有限公司教授级高级工程师，硕士.Email：通讯作者：钟 永（1985），男，湖北荆州人，中国林业科学研究院副研究员，硕士生导师，博士.Email：建筑材料学报第 26卷锯材是最常用的现代结构用木材产品之一2.国产锯材的研究始于 21世纪初，以中国林科院木工所团队为代表，借鉴国外先进经验开展了系列足尺破坏试验研究，主要集中于目测分级方面，同时在机械应力分级方面也开展了尝试性研究23，78.但与国外先进国家相比仍较落后，在构建适应于中国自身国情的机械应力分级锯材体系仍有待完善.为此，本研究以国产人工林杉木锯材为研究对象，开展了机械应力分级杉木锯材的无损振动试验、足尺破坏性试验和可靠度分析，比较了不同分级方法对杉木锯材强度设计指标的影响，验证了机械应力分级方法的可行性.1试验1.1原材料国产人工林杉木采自贵州省黔东南苗族侗族自治州从江县，平均胸径约 25 cm.经过锯截、干燥、刨光等流程，将其加工成 40 mm140 mm4 000 mm的锯材，随机选取杉木锯材试件220根.1.2测试方法用 Metriguard 公司 Model 340 Ecomputer 对杉木锯材进行横向振动无损检测，得到其动态弹性模量E 2：E=GL3f2/()Kbt3（1）式中：G为杉木锯材所受的重力，N；L为杉木锯材的测试跨度，mm；f为杉木锯材的基本振动频率，Hz；K为常数，取1.83106；b、t分别为杉木锯材的宽度和厚度，mm.由于缺乏杉木锯材机械应力分级的相关研究，参考国外标准机械应力分级规定5，建议分为 5个材质区间且落入最高和最低材质区间的杉木锯材试件数占比不宜超过10.0%.杉木锯材动态弹性模量的统计结果及机械应力分级见图 1.由图 1可见：材质区间Q1、Q2、Q3、Q4、Q5对应的动态性模量范围分别为 E 11.2 GPa、E=9.411.2 GPa、E=7.69.4 GPa、E=5.87.6 GPa、E 0.2时，荷载组合LD+LS对应的R最大，荷载组合 LD+LO对应的R仍然最小；在相同荷载组合、荷载比下，材质区间 Q2、Q3杉木锯材的R基本相等，均大于材质区间 Q4杉木锯材，而小于未分级杉木锯材，这与表1试验统计和表2拟合得到的各材质强度变异系数规律一致，即强度表 2杉木锯材顺纹抗拉强度的拟合结果Table 2Characteristic values and fitting results of tensile strength parallel to grain of Chinese fir lumbersZoneAll(T13)Q2(T17)Q3(T14)Q4(T12)fk/MPa13.5117.8814.6912.11MethodNormalLognormal2PWeibullNormalLognormal2PWeibullNormalLognormal2PWeibullNormalLognormal2PWeibullfs/MPa24.5925.5424.6429.9930.7729.8523.9824.5923.8718.3918.7318.24Standard deviation/MPa8.118.878.068.168.788.086.456.836.434.084.274.12CV/%33.034.732.727.228.527.126.927.827.022.222.822.6e10.2060.0250.2130.0320.0180.0410.0720.0220.0980.0470.0250.070e20.0580.0120.0600.0570.0460.0370.0660.0510.0720.0940.0650.108R0.9730.9990.9740.9830.9970.9770.9890.9940.9840.9840.9950.974表 3统计参数的名义值和变异系数Table 3Nominal value and CV of statistic parametersRandom variableK1K2K3K4LDLRLOLWLSProbability distributionNormalNormalNormalNormalNormalGumbelGumbelGumbelGumbelNominal value0.7201.0001.0001.0001.0600.6440.5241.0001.040CV/%12.03.05.05.07.023.328.819.022.0656第 6期龙卫国，等：机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度图 3未分级杉木锯材 与R之间的关系Fig.3Relation between and R of ungraded Chinese fir lumbers图 4材质区间 Q3杉木锯材 与R之间的关系Fig.4Relation between and R of Chinese fir lumbers in Q3 zone657建筑材料学报第 26卷变异系数大的杉木锯材抗力分项系数大.2.4顺纹抗拉强度设计值的确定根据结构用木材设计指标可靠度分析方法7，11，杉木锯材顺纹抗拉强度设计值fd为：fd=fkKDR（6）需要说明的是，不同荷载组合、荷载比值的R波动范围较大，如果取最不利荷载组合、荷载比值下的R用于确定强度设计值，将导致构件的安全性偏于保守且用材浪费.参考 GB 500052017，以 LD+LR、=1.5作为基准条件来确定杉木锯材的顺纹抗拉强度设计值.不同分级方法下杉木锯材的顺纹抗拉强度设计值见表 5.由表 5可见，经过机械应力分级后，强度等级 T17、T14、T12的杉木锯材 fd比未分级杉木锯材提升了 5%46%，比目测分级下 3个主要目测强度等级（Ic、IIc、IIIc）的杉木锯材（已转化为40 mm140 mm下的强度设计值）提升了 3%17%.由此表明机械应力分级方法的可行性.另外，由于机械应力分级可以显著降低杉木锯材顺纹抗拉强度的离散性，会使机械应力分级低等级杉木锯材（如 T12）的 fd可能高于未分级杉木锯材（T13）的fd，而未分级足尺杉木锯材（T13）的fd与清材小试样（TC11B）4获得的 fd基本一致.基于此，建议在进一步制修订国内木结构设计标准过程中，可以参 考 欧 洲 标 准 EN 338Structural timberstrength classes，对于不同分级方法下的结构木材，其强度等级可基于统一强度等级表进行确认和标识，而在确定其强度设计值时，需考虑不同分级方法下对应的强度变异系数.3结论（1）采用动态弹性模量对杉木锯材进行机械应力分级，提出了不同强度等级机械应力分级杉木锯材对应的动态弹性模量界限值.（2）对数正态分布能够较好地拟合不同强度等级机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度概率分布，并基于参数法确定了不同强度等级机械应力分级杉木锯材的强度标准值.（3）开展了不同强度等级机械应力分级杉木锯材顺纹抗拉的可靠度分析，结合目标可靠度要求，确定了不同荷载组合、荷载比值下的抗力分项系数值，并确定了基准条件下的顺纹抗拉强度设计指标.表 4杉木锯材在不同荷载组合下的抗力分项系数Table 4R of lumber under different load combinationsZoneAll(T13)Q2(T17)Q3(T14)Q4(T12)Load combinationLD+LRLD+LOLD+LWLD+LSLD+LRLD+LOLD+LWLD+LSLD+LRLD+LOLD+LWLD+LSLD+LRLD+LOLD+LWLD+LS01.781.781.781.781.601.601.601.601.611.611.611.611.501.501.501.500.21.731.701.871.871.561.531.681.661.561.541.691.671.461.431.571.550.31.721.671.891.881.541.501.701.691.551.511.711.701.441.401.591.580.51.641.581.851.891.481.421.671.701.491.421.681.711.381.331.561.601.01.501.411.821.891.361.271.641.711.371.281.651.721.281.201.551.621.51.441.331.811.901.301.211.651.731.311.221.661.741.231.151.561.652.01.401.291.811.921.281.181.651.761.291.191.661.771.211.121.571.683.01.361.241.821.951.251.141.671.791.261.151.681.801.201.101.591.724.01.341.221.831.961.231.131.681.811.251.141.691.831.191.091.601.74表 5不同分级方法下杉木锯材的顺纹抗拉强度设计值Table 5Design value of fd of Chinese fir lumbers under different grading methodsGrading methodMechanical stressUngradeStrength gradeT17T14T12T13Fd/MPa9.908.077.096.76Grading methodVisual grading4Clear wood4Strength gradeIcIIcIIIcTC11BFd/MPa8.457.806.507.00658第 6期龙卫国，等：机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度（4）机械应力分级方法能够显著提高杉木锯材的顺纹抗拉强度设计指标，相对于未分级足尺寸杉木锯材、目测分级杉木锯材，其顺纹抗拉强度设计指标提升幅度范围分别为5%46%、3%17%.参考文献：1 国家林业和草原局.中国森林资源报告（20142018）M.北京：中国林业出版社，2019：1235.National Forestry and Grassland Administration.China forestry resource report（20142018）M.Beijing：China Forestry Publishing House，2019：1235.（in Chinese）2 周海宾，任海青，吕建雄，等.分等方法对我国人工林杉木规格材等级的影响 J.建筑材料学报，2009，12（3）：296301.ZHOU Haibin，REN Haiqing，L Jianxiong，et al.Effects of grading methods on dimension lumber grades for Chinese fir plantationJ.Journal of Building Materials，2009，12（3）：296301.（in Chinese）3 任海青，郭伟，费本华，等.轻型木结构房屋用杉木规格材机械应力分等研究 J.建筑材料学报，2010，13（3）：363366.REN Haiqing，GUO Wei，FEI Benhua，et al.Mechanical stress grading of Chinese fir dimension lumber for light wood structure houses J.Journal of Building Materials，2010，13（3）：363366.（in Chinese）4 中华人民共和国住房和城乡建设部.木结构设计标准：GB 500052017 S.北京：中国建筑工业出版社，2017.Ministry of Housing and UrbanRural Development of the People s Republic of China.Standard for design of timber structures：GB 500052017 S.Beijing：China Architecture and Building Press，2017.（in Chinese）5 Technical Committee CEN/FC 124.Timber structuresstrength graded structural timber with rectangular cross sectionpart 1：General requirements：EN 140811S.Belgium：European Committee for Standardization，2016.6 Canadian Lumber Standards Accreditation Board Special products standard for machine graded lumber：SPS 2S.Vancouver：National Lumber Grades Authority，2019.7 钟永，武国芳，任海青.国产结构用规格材的抗弯强度可靠度分析和设计值 J.建筑结构学报，2018，39（12）：119127.ZHONG Yong，WU Guofang，REN Haiqing.Reliability analysis and design value on bending strength of domestic dimension lumber for structural purpose J.Journal of Building Structures，2018，39（12）：119127.（in Chinese）8 郭伟，任海青，殷亚方.杉木目测分等规格材缺陷类型及分布的研究 J.建筑材料学报，2009，12（4）：462465.GUO Wei，REN Haiqing，YIN Yafang.Study on types and distribution of visual characteristics about Chinese fir dimension lumbers J.Journal of Building Materials，2009，12（4）：462465.（in Chinese）9 FOSCHI R O，FOLZ B R，YAO F Z.Reliabilitybased design of wood structures M.Vancouver：First Folio Printing Corporation Limited，1989：5060.10 钟永，武国芳，任海青，等.基于正态随机样本确定结构用木质材料强度标准值的方法 J.建筑结构学报，2018，39（11）：129138.ZHONG Yong，WU Guofang，REN Haiqing，et al.Determination method of characteristic strength for structural wood materials based on normal distribution and random sampling J.Journal of Building Structures，2018，39（11）：129138.（in Chinese）11 祝恩淳，牛爽，乔梁，等.木结构可靠度分析及木材强度设计值的确定方法 J.建筑结构学报，2017，38（2）：2836.ZHU Enchun，NIU Shuang，QIAO Liang，et al.Reliability analysis of wood structures and method for determining design strength value of timber J.Journal of Building Structures，2017，38（2）：2836.（in Chinese）659