横向振动评估木结构建筑用规格材弹性性质_图文

1、第10卷第3期2007年6月建筑材料学报JOURNAI。OF BUILDING MATERIALS文章编号:10079629(200703027105VoI.10。NO.3Jun.,2007横向振动评估木结构建筑用规格材弹性性质周海宾1,任海青¨,殷亚方1,胡林涓2(1.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091;2.加拿大林产工业研究院东部实验室,加拿大奎北克摘要:经Timoshenko梁方程推导出了以自振频率为变量的自由一自由梁横向振动弯曲弹性模量和剪切弹性模量的求解方程.通过对规格材动态振动和静态弯曲测试研究,发现用这种动态测试方法对规格材弹性性质进行预测效果较好,总回

2、归方程相关系数在0.7以上,可以在实际中用于对足尺规格材的弹性性质进行动态评估.关键词:横向振动;木结构建筑;规格材;弹性性质中图分类号:TU528文献标识码:AEvaluating Static Elastic Properties ofWood Structure BuildingDimension Lumber Using Transverse VibrationZHOU Haibinl,REN Haiqin91,N%一如咒91,HULin-juan2(1.Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry,Be

3、ring100091,China;2.Eastern Laboratory,Forintek Canada Corp.,Quebec,Canadamical test methodcan be used in practical application for dynamical evaluation on elastic properties of fullsize dimension lumber.Key words:transverse vibration;wood structure building;dimension lumber;elastic property 材料纯弯曲是指材

4、料在受弯时不存在剪切变形.事实上,弯曲弹性模量和剪切弹性模量之间是存在一定关系的.当某一材料受弯时,几乎在所有情况下都既有弯曲变形,又有剪切变形.弯曲和剪切相互间的变形量取决于材料长细比、载荷分布以及纯弯曲弹性模量与剪切弹性模量之比.因此,在计算木构件的弯曲变形时,一定要考虑剪切的影响.目前,材料纯弯曲弹性模量和剪切弹性模量的测量对科学家和工程人员来说依然是一个挑战,这主要是因为难以获得一个纯弯曲和纯剪切的模式.为了确定剪切弹性模量,现有的方法是在材料静态弯曲试验中至少测试4个跨度下的载荷变形1_3|.本文将横向振动理论扩展应用到我国木结构设计规范中要求的规格材上,尝试建立一种无损收稿日期:2

5、0060711;修订日期:20061121基金项目:国家林业局引进国际先进农业科学技术(948项目作者简介:周海宾(1977一,男,内蒙古人,中国林业科学研究院助理研究员,博士.*通讯联系人:中国林业科学研究院研究员.建筑材料学报第lo卷检测足尺规格材纯弯曲弹性模量和剪切弹性模量的方法,旨在为我国规格材和胶合木用层板以及木质复合结构材力学性能的快速准确检测、规格材和胶合木用层板的分级以及木质复合结构材制造过程中的质量控制提供有效手段.1自由一自由梁横向振动理论本文采用测试方法的理论基础是Timoshenko梁方程4,见式(1.在梁的横向振动方面,由于其考虑了一些额外的因素(如剪切变形和旋转惯性

6、,因此这个方程要比Euler方程更具有代表性.畴+m雾一(mr2+篇赫+篇等一o式中:Ef为梁截面的抗弯刚度;m为梁单位长度的质量;J为横截面的惯性力矩;A为梁的横截面面积;G为梁的剪切弹性模量;r为截面惯性半径;K7为剪切因子.关于此方程的解已经有过证明.HuangE53得到了不同简支条件下该方程的解;Chui等嘲讨论了剪切和支承条件对木质梁自振频率的影响,认为剪切对木质梁振动的影响要比平行静态弯曲的情况下更为复杂.这种明显的影响意味着利用振动测试来预测木质梁的剪切弹性模量要比静态弯曲测试更为适合.对于自由一自由梁来讲,通过式(1可以获得自由一自由梁频率方程2M21-COSL+(警I(学si

7、n(札sinh(扎一o(2式中:,一(最4+譬专+譬;声,一(是4+譬专一譬;后4一一(严口r2一口;矿一甜2+;P一蒜;口一移一扣一半沌一半.式(2的根即为梁的自振频率.设自振角频率为叫。和叫。,由式(2可得到2个关于纯弯曲弹性模量E和剪切弹性模量G的联立方程厂,(E,G一0(3(E,G一0(4这是2个关于E和G的函数,式(3,(4分别代表第一阶和第二阶自振频率函数.由于式(3, (4为非线性关系,因此只能通过反复迭代的办法获得E,G.式(3可以变换为以G表示E的函数E。一厅(G,。(5式(4可以变换为以E表示G的函数Gnfi(E n(6上述2式中:咒表示第竹次迭代.在每次迭代中E值通过上一

8、次迭代得到的G值来获得,然后再通过新的E值来确定新的G值.首先对E或G值做初步估计,然后通过不断迭代使得E和G值趋于其最终值.对E值的最初估计方法来自使用无剪切Euler方程.2规格材横向振动测试规格材试件均为杉木规格材,分别采自安徽、湖南和四川.原木经粗锯、干燥,然后精刨成木结第3期周海宾,等:横向振动评估木结构建筑用规格材弹性性质273构设计规范中规定的规格材规格.规格材试件共155个,其中:安徽55个(45mm×89mm×2500ram;湖南56个(45mm×89mm×2550ram;四川44个(45mm×89mm×2600ra

9、m.制备好的规格材试件停留在试验室里直至其平衡含水率调整为10%左右.在动态测试之前,按照我国木结构设计规范中规格材材质标准对杉木进行了目测分级,取I。,。,。这3个目测等级的锯材作为本次试验对象.I。等级试件共66个,其中:安徽23个;湖南27个;四川16个.。等级试件共39个,其中:安徽13个;湖南14个;四川12个.c等级试件共50个,其中:安徽19个;湖南15个;四川16个.3分析与讨论3.1测试方法对规格材弯曲弹性模量和剪切弹性模量的影晌表1显示了规格材静态和动态力学性质的测试结果.静态测试时挠度变形包含了剪节变形,因此测碍的弯曲弹性模量为静态表观弯曲弹性模量(E。.动态面外表观弯曲

10、弹性模量(E。;是动态测试中试件宽面采用平方方式并通过Euler方程计算得到.动态面内表观弯曲弹性模量(E。是动态测试中试件宽面采用竖放方式并通过Euler方程计算得到;动态面内纯弯曲弹性模量(E“。是动态测试中试件宽面同样采用竖放方式,但是通过Timoshenko方程计算得到.襄1规格材静态和动态弹性性质测试结果Tab.1Static and dynamical test values of elastic properties of dimension lumberElastic modulus/GPa VariationAverage Max Min Standard deviation

11、 coefficient/%在测试结果中动态面内表观弯曲弹性模量与动态面外表观弯曲弹性模量相近,说明试件的放置方式对测试结果影响小,因此在测试中可自由选择.另外,由于表观弯曲弹性模量是通过Euler 方程计算得到,而纯弯曲弹性模量是通过Timoshenko方程计算得到,其结果为动态面内表观弯曲弹性模量小于动态面内纯弯曲弹性模量.这说明动态测试中计算方法的选取对结果影响较大.“他蛎孔¨舳坞M 也¨拍盯p,_蓦西一一一J 茬箍焉础斌淼燃一一一一一跏k 脚。咖哳建筑材料学报第10卷从表2也可以看出,我国杉木规格材力学性质变异较大口,尤其是动态剪切弹性模量,主要原因是这些规格材采自

12、3个产区,而且同一产区的采伐位置也有很大不同.因此,分级是合理、高效利用我国杉木规格材最重要的环节.3.2静态弯曲弹性模量和动态面内弯曲弹性模量的关系不同产地各试件的静态表观弯曲弹性模量和动态面内纯弯曲弹性模量的测试结果见图1(a,不同产地试件静态表观弯曲弹性模量与动态面内纯弯曲弹性模量之间的回归方程及其总回归方程分别为安徽:E。一0.7986E,。+1.6936,R一0.89四川:E。一0.7141E,。+3.0741,R一0.67湖南:E。一0.7732E州。+2.6139,RO.77总回归方程:E。=0.7839E。妇+2.4359,R一0.77.从图1(a可以看到产地的回归曲线L1(安

13、徽的斜率最大,其次是L3(湖南、L2(四川,总回归曲线L的斜率略高于L2,L3.回归曲线斜率的高低表示各个产区规格材力学性质的变异程度,图1(a中曲线分布说明了四川产区规格材的力学性质变异最大.对于回归方程来说,除四川外其他两个产区的回归方程相关系数均在0.70以上,总回归方程的相关系数也在0.70以上,这说明动态纯弯曲弹性模量基本上可以做到对足尺规格材静态弯曲弹性模量的预测.不同目测等级各试件的静态表观弯曲弹性模量与动态面内纯弯曲弹性模量的测试结果见图1 (b,不同目测等级静态表观弯曲弹性模量与动态面内纯弯曲弹性模量之间的回归方程为I。:E。=0.8367E。i。+1.9399,R一0.80

14、。:E。=0.6503E州。+3.7683,R一0.60。:E。一0.7867E。t'i。+2.3622,R=0.86.1614司812酱1086810121416Evt,in/GPa(aDifferent place of production图1静态表观弯曲弹性模量和动态面内纯弯曲弹性模量之间的关系Fig.1Relations between static apparent bending modulus and dynamical inplane true bending modulus 从图1(b及其相应的回归方程可以看到,工。,c等级规格材的回归曲线斜率和回归方程相关系数均高

15、于。等级规格材.这是因为I。,c等级规格材的弯曲弹性模量在长度上分布要比。等级规格材更均匀,I。,c等级规格材动态及静态测试跨度的变化对其测试结果的影响要小于。等级规格材.与。规格材相比较,I。,c等级规格材弯曲弹性模量的测试更适合采用本文提出的横向振动动态测试法.4结论.不同产地、不同目测等级的杉木规格材弹性性质变异大,在实际应用中有必要对其强度分级.测试跨度对其动态及静态测试结果影响大,放置方式对测试结果影响小.基于Timoshenko方程的自由一自由梁横向振动动态测试法可以更好地反映规格材整个长度的性质,其回归方程的相关系第3期周海宾,等:横向振动评估木结构建筑用规格材弹性性质275数较

16、高,预测效果较好.总的来说,自由一自由梁横向振动动态测试法能够在实际应用中较好地评价足尺规格材的弹性性质.致谢:东方振动研究所董书伟工程师对本次振动试验作了指导,中国林业科学研究院木材工业研究所骆秀琴、江京辉工程师帮助完成规格材静态弯曲试验部分,在此一并表示感谢.参考文献:1234 r-s-63 7British Standard Institute.BS5268,Code of practice for the structural use of timer.Part2:Permissible stress designS.London:Materials and Workmanship,1

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