正交胶合木铁杉规格材弹性模量的动态测试及应力分等

正交胶合木铁杉规格材弹性模量的动态测试及应力分等李敏敏;谢文博;王正;高子震【摘要】为使规格材力学性能满足制造足尺正交胶合木(CLT)楼板和墙板的需要，笔者采用横向振动法,对加拿大铁杉规格材的顺纹弹性模量进行动态测试及其应力分等研究,并从被测试件中随机抽取50根通过应力波法进行对比测试,以验证测试及分等结果的可靠度.研究表明,所用铁杉规格材顺纹弹性模量平均值均达到制造CLT性能要求;顺纹弹性模量测试结果基本符合威布尔分布规律;依据其顺纹弹性模量性能进行应力分等后，达到1.5E应力等级的铁杉锯材占总数的35.0%,达到2.0E应力等级的铁杉锯材占总数的34.8%;横向振动法测试结果与应力波法测试结果相关系数达到0.815,具有较高的吻合度•上述有利于确保后续CLT的结构设计、性能预测、加工制造和性能评估等工作,并对促进国内CLT木建筑的良性发展具有工程应用价值・％Inordertomakethemechanicalpropertiesofthedimensionlumbermeettheneedsofmakingfull-sizecross-laminatedtimber(CLT)slabsandwalls,transversevibrationwasusedtothisstudy.DynamictestandstressgradingwereusedfortheelasticmodulusinparallelofCanadianhemlockdimensionlumber.Forverifyingthereliabilityofthetestandgrading,50sampleswererandomlyselectedfromthetestedspecimens,andperformedacomparisontestbystresswave.ResearchindicatedthattheaverageelasticmodulusinparallelofthehemlockdimensionlumbermettherequirementofCLTmanufacturing,andtheresultswereinaccordancewiththeWeibulldistribution.AfterthestressgradingofHemlockdimensionlumber,therewere35.0%reachingthe1.5E,and34.8%reachingthe2.0E.Thecorrelationcoefficientoftheresultsbetweenthetransversevibrationandthestresswavewas0.815,andithadhighdegreeofcoincidence.TheabovewasconducivetoensuringthesubsequentCLTworkingforstructuraldesign,performanceprediction,manufacturingandperformanceevaluation,anditwouldhaveengineeringapplicationvaluetopromotethebenigndevelopmentfordomesticCLTbuildings.【期刊名称】《林产工业》年(卷),期】2018(045)007【总页数】5页(P28-32)【关键词】正交胶合木;西部铁杉;规格材;横向振动法;应力分等【作者】李敏敏;谢文博;王正;高子震【作者单位】南京林业大学材料科学与工程学院;;南京林业大学材料科学与工程学院【正文语种】中文中图分类】S781木材作为一种可再生天然材料，广泛应用于木材工业的各个方面。由于木材受其各向异性以及各种缺陷因素制约，其各项力学性能均存在较大的变异性和不确定性。因此，木材作为建筑材料应用于工程领域时，必须首先对其进行材质应力分等，以确保所用木材的各项力学性能满足工程质量需求。鉴于此，文中首先采用动态横向振动法，对用于制造CLT的加拿大铁杉规格材进行顺纹弹性模量的动态测试［1-3］，同时运用威布尔分布概率法进行拟合分析，充分了解加拿大西部铁杉弹性模量值的概率密度和概率分布，并对本批次铁杉规格材的测试结果进行应力分等。试验材料与设备试验材料产于加拿大西部铁杉(T.heterophylla)锯材。其规格尺寸为5500mmx140mmx40mm和5500mmx235mmx40mm,气干密度为490kg/m3，含水率为18%~20%。动态测试弹性模量的铁杉试材规格为5500mmx140mmx40mm,试验样本数为550根，从中随机抽取50根采用应力波法进行测试。试验仪器及配套件)CRAS振动及动态信号采集分析系统1套，南京安正软件工程有限公司制造。其主要包括信号采集箱、信号调理箱和CRAS分析软件等。)CA-YD-127加速度传感器1只，无锡世敖科技有限公司生产。其频响范围为2~5000Hz，灵敏度为3.2pc/ms-2，重量为38g。)HM200应力波检测系统一套，新西兰Fibre-gen公司生产。)其他配套件。橡胶激振锤1把、台虎钳夹持装置1套、电子磅秤1台(0.01kg)、钢卷尺1只、牛皮筋等。测试方法2.1动态测试铁杉规格材顺纹弹性模量采用横向振动法测试铁杉规格材顺纹弹性模量［4-5］。在距离铁杉试件一端0.224L和0.776L处用牛皮筋进行悬挂，实现自由梁约束方式，连接振动测试系统，如图1所示。图1铁杉试件基频测试系统Fig.1Testingsystemflowchartofnaturalfrequencyofhemlockdimensionlumbers将CA-YD-127加速度传感器牢固粘贴于试件表面。SSCRAS软件参数设置为：分析频率为200Hz，FFT长度为4096，负触发采集方式，电压范围±5000mV。其参数设置完成后，用橡皮锤敲击铁杉试件使其产生横向自由振动。通过加速度传感器拾振将其振动信号转化为电信号；该信号经放大、滤波、傅里叶转换后得到试件横向振动的频谱图，如图2所示。从频谱图中识别出试件横向振动的一阶弯曲频率值f［6］。图2铁杉规格材101号试件测试频谱Fig.2MeasuredspectrumofNo.101pieceofhemlockdimensionlumbers根据欧拉梁的横向弯曲理论，自由梁的一阶弯曲频率与弹性模量E的关系符合式(1)［7］。式中：E 试材弹性模量动态测量值,Pa;P 试材气干密度，g/cm3;fl——一阶弯曲频率值，Hz；l 梁的长度,mm;h 梁的厚度，mm。将试件尺寸参数与一阶弯曲频率值代入式(1)中，即可计算得出试件的弹性模量动态测量值。应力波法测试锯材弹性模量应力波法测试锯材弹性模量的测试原理：通过敲击锯材断面产生一个应力波，并利用HM200传感器测试应力波在木材中的传播速度。依据应力波在木材中的传播速度与木材本身弹性模量等力学性能之间的关系对木材进行测试［8］。图3锯材应力波测试示意图Fig.3Stresswavetestofsawntimber测试前，将随机抽取的50根铁杉规格材放置在水平地面的垫木上。在HM200应力波测试仪中输入被测规格材的长度参数。测试时，将HM200应力波仪端头传感器紧抵于木材端面，当应力波仪屏幕出现HIT字样时，用锤敲击应力波仪传感器所在木材端面使规格材内部产生应力波。此时，应力波仪即可通过分析敲击产生的应力波传输时间和振动频率得到应力波在规格材中的传波速度，如图4所示。对每根规格材重复测试3次，并取平均值，以减小测试误差。规格材应力波速度与弹性模量之间的关系符合式（2）［9］。式中：E 试材弹性模量动态测量值,Pa;P——试材密度，kg/m3;v 试材的应力波速度值，m/s。将应力波速度测试结果与试材密度参数代入公式（2）中，即可得到应力波法下的试材弹性模量动态测量值。结果与分析3.1铁杉锯材顺纹弹性模量测试结果与分析将上述550根铁杉规格材的测试结果代入式（1），计算出本批次每根铁杉规格材的弹性模量动态测量值并对测试结果进行分析，得到如表1和图4所示的概率分布情况。表1铁杉规格材弹性模量值概率分布情况表Tab.1Hemlockdimensionlumberelasticmodulusprobabilitydistribution弓单性模量组距/MPa频数概率/%累计概率/%2500000400010.205500122.22.47000407.39.685007613.823.51000010919.843.31150012222.265.5130008816.081.514500509.190.516000295.395.817500142.598.41900071.399.62050010.299.8220000099.82350010.2100.0更多---对表1中数据进行整理，绘制出本批次铁杉规格材弹性模量动态测量值的概率密度曲线，如图4所示。图4铁杉规格材概率分布曲线Fig.4Probabilitydistributioncurveofhemlockdimensionlumbers由表1得知，本批次550根铁杉规格材中，弹性模量小于8000MPa的数量约占总数的20%，求得其弹性模量总体样本平均值p为10680MPa，标准偏差o为2942MPa，变异系数为27.5%。将铁杉规格材弹性模量的累计概率分布曲线进行三参数威布尔分布拟合［10］，设铁杉规格材弹性模量符合三参数威布尔分布函数，如公式（3）所示。式中：m 形状参数；Eu——位置参数，表示总体最小弹性模量；E0——尺度参数。将本批次550根铁杉锯材弹性模量测量值按照由大到小排列，形成统计次序Ei,相应的概率值为i/（n+1），将其参数代入公式（3）中，可得式（4）。其中，n=550,弹性模量最小值为4200MPa，设Eu=3500MPa，将实测值Ei代入公式（3）中，画出散点分布图，如图6所示。图5铁杉规格材威布尔分布的拟合检验Fig.5FittesthemlockdimensionlumberWeibulldistribution由图5得知，当Eu=3500MPa时，实测值用直线拟合的相关系数R=0.996,n=550,拟合效果较好。由直线斜率和与纵轴斜率可得，m=2.6764,E0=8091.798MPa，代入式（3）中可得出铁杉弹性模量的累积概率分布函数F（E），如式（5）所示。将表1中累积概率密度数据与式（5）所示函数进行图表分析，可得到实测铁杉弹性模量值累积概率密度曲线和威布尔拟合概率密度曲线图，如图6所示。图6铁杉规格材弹性模量累积概率密度曲线Fig.6Hemlockdimensionlumberelasticmodulusofthecumulativeprobabilitydensitycurve根据总体样本平均值M和标准偏差a的定义，借助伽马函数「（x）,可以导出如公式（6）和（7）所示关系：将Eu=3500MPa,m=2.6764,E0=8091.798MPa代入公式（6）与（7）,计算可得，通过威布尔分布拟合计算所得的铁杉弹性模量总体样本平均值M为10693.77MPa，标准偏差a为2896MPa，变异系数为27.08%。在实测结果中，其铁杉试件弹性模量总体样本平均值为10680.64MPa，标准偏差a为2942MPa，变异系数为27.5%。其铁杉试件弹性模量测试值与威布尔分布拟合值相一致。由上述可知,对铁杉规格材试件的弹性模量动态测量值的测试结果基本符合威布尔分布的规律。在实际工程应用中,该测试结果可以作为工程计算的参考。另外,铁杉规格材平均弹性模量为10680MPa，未达到8000MPa的锯材占总数的20%左右，依据王正等的测试结果，加拿大No.2级SPF规格材弹性模量未达到8000MPa的锯材占总数的13.6%[11]。值得注意的是，王正等人的测试对象是针对已经经过初步分等的No.2级SPF规格材，而笔者的研究对象为未经过任何分等处理的西部铁杉规格材。由此得出结论,西部铁杉的弹性模量等力学性能接近甚至优于相同规格的SPF规格材。因此，铁杉经过应力分等后，符合CLT制造的要求，可用作CLT的加工制造。横向振动法测试铁杉规格材弹性模量值的应力分等笔者按照工程应用中的实际需要和CLT加工制造的要求和加拿大木结构设计规范所规定的分等规则，以3.1中所测得的铁杉规格材弹性模量动态测量值为依据，将本批次铁杉规格材分为三个等级［12］。其分等结果如表2所示。表2铁杉规格材应力分等结果表Tab.2Hemlockdimensionlumberstressgradingresults等级弹性模量平均值/MPa标准偏差/MPa变异系数/%17418(v1.2E)126817.09210341(1.5E)6906.67313802(2.0E)192713.96由表2可知，本批次铁杉规格材的3个等级中，平均弹性模量为7418MPa的规格材(等级1),在CLT制造中用作垂直层；平均弹性模量为10341MPa(等级2)的规格材，在CLT制造中用作等级2CLT的平行层；平均弹性模量为13802MPa(等级3的规格材)，在CLT制造中用作等级1CLT的平行层。横向振动法与应力波法测试结果对比与分析对用横向振动法和应力波法测算的50根铁杉规格材弹性模量进行对比分析，如图8所示。分析结果表明：横向振动法测试结果与应力波法测试结果之间关系可用线性公式y=0.929x+109表示，其相关系数R=0.815，具有很好的相关性。说明应力波法测试的锯材弹性模量值能够很好的验证横向振动法测试结果的准确性。图7横向振动法与应力波法测试结果之间的相关性Fig.7Correlationbetweenlateralvibrationmethodandstresswavemethod结论与展望上述以加拿大西部铁杉规格材为研究对象，采用横向振动法，动态测试其顺纹弹性模量，运用威布尔分布概率法进行拟合分析，并对铁杉规格材进行应力质量分等，同时运用应力波法验证横向振动法结果的准确性，以此确定运用加拿大西部铁杉规格材用于制造CLT板的基材条件的可行性。通过研究，笔者所用批次的550根铁杉规格材顺纹弹性模量平均值为1068.64MPa，未达到8000MPa的锯材仅占总数的20%左右，且其顺纹弹性模量测试结果符合威布尔分布的规律。在对锯材进行应力分等后，达到1.5E应力等级的铁杉锯材占总数的35.0%，达到2.0E应力等级的铁杉锯材占总数的34.8%。应力波法测试结果与横向振动法测试结果相关系数达到0.815，横向振动法测试结果具有一定的准确性。显然，加拿大西部铁杉规格材的主要力学性能指标达到制造足尺CLT相关要求。当前，我国正在倡导大力发展绿色建材，实现建筑墙体工厂预制。在此背景下，发展我国低碳、环保的高层木结构建筑已大势所趋。但是，由于我国CLT的研究与发展尚属于起步阶段，加强诸如规格材的应力分等、结构设计、工艺参数优