藏青楊舊材無疵試樣力學(xué)性能試驗(yàn)研究

　　摘要：藏青楊是藏式古建筑木結(jié)構(gòu)的常用材料，但現(xiàn)有研究對(duì)這種材料的力學(xué)性質(zhì)了解較少，尤其是藏式古建筑中的藏青楊舊材。通過對(duì)鋸解自一根典型藏式古建木結(jié)構(gòu)舊梁的無疵試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，得到了藏青楊舊材的各種力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，包括全截面抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、壓縮泊松比，橫紋局部抗壓強(qiáng)度，順紋抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量、拉伸泊松比，抗彎強(qiáng)度、彎曲彈性模量，抗剪強(qiáng)度、剪切模量。通過將藏青楊舊材的強(qiáng)度參數(shù)與常用的藏式木結(jié)構(gòu)替換用材進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在考慮強(qiáng)重比的情況下，對(duì)于大多數(shù)藏式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，落葉松是相對(duì)更為合適的替換用材，而若僅需要對(duì)橫紋徑向受壓構(gòu)件進(jìn)行替換時(shí)，紅松則更合適。除此之外，試驗(yàn)得到的完整的藏青楊舊材彈性常數(shù)也可作為藏式古建筑木結(jié)構(gòu)仿真建模和有限元分析的基礎(chǔ)。

　　楊娜; 王忠鋮; 常鵬， 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-29

　　關(guān)鍵詞：藏式木結(jié)構(gòu);藏青楊舊材;無疵試樣;力學(xué)參數(shù);彈性常數(shù)

　　0 引言

　　藏式古建筑木結(jié)構(gòu)是西藏地區(qū)特有的建筑，受文化和環(huán)境等因素影響，其建筑外貌，結(jié)構(gòu)形式與中國傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)截然不同。由于受到雨水、蟲蛀、紫外線等環(huán)境因素的侵蝕，加上長(zhǎng)期受到上部荷載作用的影響，藏式古建筑木材料不可避免的出現(xiàn)一定程度的損傷[1]。研究藏式古建筑木結(jié)構(gòu)舊材料的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、維修加固等工作都具有重要的意義。

　　大多數(shù)木材料力學(xué)性質(zhì)的研究都是基于表面平整、邊棱垂直、無明顯缺陷的無疵小樣。在獲得了無疵小樣的力學(xué)性能后，通過考慮尺寸、時(shí)間、環(huán)境、殘損等因素等進(jìn)而對(duì)足尺構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于木結(jié)構(gòu)而言，由于木構(gòu)件的使用位置和功能不同，結(jié)構(gòu)整體的安全性受到材料抗壓[2](包含全截面抗壓和局部抗壓)、抗拉[3]、抗彎[4]、抗剪[5]等多種性質(zhì)的影響。此外，木材屬于正交各向異性材料，其順紋方向的力學(xué)性質(zhì)與橫紋方向存在顯著差異。因此，全面了解木材料的力學(xué)性質(zhì)不但需開展多項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)，而且同一項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)又需對(duì)木材多個(gè)紋理方向進(jìn)行測(cè)試。

　　藏青楊是常用的藏式古建筑木結(jié)構(gòu)用材[6]，其力學(xué)性質(zhì)暫無規(guī)范可考。楊娜等[7]測(cè)試了藏青楊的氣干密度、順紋全截面抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲彈性模量等 5 項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，并對(duì)新、舊材的差異進(jìn)行了對(duì)比和分析。到目前為止，藏青楊舊材橫紋方向的力學(xué)性質(zhì)和幾乎所有的材料彈性常數(shù)仍未有研究報(bào)道。

　　本研究開展了藏青楊舊材的全截面抗壓、局部抗壓、順紋抗拉、抗彎、抗剪性能的測(cè)試。得到了藏青楊舊材三個(gè)主方向的全截面抗壓強(qiáng)度、兩個(gè)主方向的橫紋局部抗壓強(qiáng)度、三個(gè)剪切面的抗剪強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度，以及三個(gè)主方向的壓縮彈性模量、壓縮泊松比，順紋拉伸彈性模量和拉伸泊松比，三個(gè)主平面的剪切模量及彎曲彈性模量。除此以外，通過對(duì)比藏青楊舊材與幾種常用藏式木結(jié)構(gòu)替換用材的力學(xué)參數(shù)，從材料強(qiáng)度的角度分析了各種替換用材的優(yōu)劣。基于以上研究，以期更全面和深入的認(rèn)識(shí)藏式古建筑木材料的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)為藏式古建筑木結(jié)構(gòu)的維修與保護(hù)工作提供參考。

　　1 材料和方法

　　1.1 材料

　　本試驗(yàn)使用的藏青楊舊材為西藏自治區(qū)拉薩市某典型藏式古建筑木結(jié)構(gòu)中的一根梁構(gòu)件，該構(gòu)件的服役環(huán)境與圖 1(a)中箭頭所示梁構(gòu)件類似，服役房間的溫、濕度信息不詳，由《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》附錄三可知，拉薩市木材平衡含水率估計(jì)值年平均值為 8.6%。根據(jù)記錄，該梁構(gòu)件有約 300 年左右的使用期，在一次維修加固工程中被替換下來。構(gòu)件外觀無明顯變形或破壞，僅存在多出較為明顯的裂紋，鋸解后可見構(gòu)件橫截面存在較為嚴(yán)重的殘損，如木節(jié)、裂紋、髓心偏心等，如圖 1(b)和 1(c)所示。構(gòu)件尺寸約為 4000mm × 215mm × 274mm (長(zhǎng)×寬×高)，上部承受均布荷載，下部為兩側(cè)弓木支撐，如圖 1(d)所示。為了研究木材在實(shí)際環(huán)境中的力學(xué)性質(zhì)，鋸解后的無疵小樣未進(jìn)行含水率調(diào)整，僅在力學(xué)測(cè)試前對(duì)試樣含水率進(jìn)行測(cè)試。梁構(gòu)件中不同部位木材的力學(xué)性質(zhì)可能存在差異，本研究涉及的各類測(cè)試試樣的鋸解位置如圖 1(d)所示。

　　1.2 試樣準(zhǔn)備及加載方式

　　參考國標(biāo) GB 1929-2009[8]對(duì)梁構(gòu)件進(jìn)行鋸解，分別獲得用于開展全截面抗壓、局部抗壓、順紋抗拉、抗彎及抗剪共 5 類試樣。其中全截面抗壓試驗(yàn)測(cè)試順紋方向(L)、橫紋徑向(R)和橫紋弦向(T)三個(gè)方向;局部抗壓試驗(yàn)測(cè)試 R 和 T 兩個(gè)方向;抗拉試驗(yàn)僅測(cè)試 L 方向;抗彎試驗(yàn)僅測(cè)試順紋試樣T方向;抗剪試驗(yàn)測(cè)試LR面、 LT 面和 RT 面，其中第一個(gè)字母表示加載方向。所有試驗(yàn)均采用 INSTRON 5582 萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載采用位移控制，且試驗(yàn)過程中通過 20N 以內(nèi)的預(yù)加載以保證試驗(yàn)裝置和試樣之間的緊密接觸。加載過程中的荷載數(shù)據(jù)及應(yīng)變數(shù)據(jù)通過 TDS-530 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。

　　全截面抗壓試樣尺寸參考了楊娜等[9]對(duì)紅松的測(cè)試，選取試樣尺寸為 40mm × 20mm × 20mm (長(zhǎng)×寬× 高)，長(zhǎng)度方向?yàn)閴毫ψ饔梅较颍鐖D 2(a)。通過抗壓試驗(yàn)同時(shí)獲得藏青楊舊材的全截面抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量和壓縮泊松比。其中彈性常數(shù)通過在試樣表面粘貼應(yīng)變片來獲得，為了避免偏壓效應(yīng)影響測(cè)試結(jié)果，試樣的正反兩側(cè)均粘貼應(yīng)變片，最終的應(yīng)變數(shù)據(jù)取正反兩側(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的均值。試驗(yàn)加載速度為 1mm/min。

　　對(duì)于局部抗壓試驗(yàn)，為了保證完整的 45°荷載擴(kuò)散角[10-12]，局部抗壓試樣尺寸為 60mm × 20mm × 20mm (長(zhǎng)×寬×高)，以保證長(zhǎng)高比為 3:1。高度方向?yàn)閴毫ψ饔梅较颍虞d塊寬度為 20mm，作用在試樣長(zhǎng)度方向的中部，如圖 2(b)所示。試驗(yàn)加載速度為 1mm/min。全截面抗壓和局部抗壓試樣的強(qiáng)度均取比例極限強(qiáng)度。

　　對(duì)于順紋抗拉試驗(yàn)，試樣形狀與 Yoshihara 等[13]采用的試樣類似，試樣尺寸為 150mm × 20mm × 4mm (長(zhǎng) ×寬×厚)，中部直線部分 50mm × 10mm (長(zhǎng)×寬)。抗拉試驗(yàn)包含兩種試樣，分別為徑向鋸解試樣和弦向鋸解試樣。測(cè)試時(shí)，試樣兩端的夾持部分粘貼水曲柳木薄片，以防止藏青楊舊材被夾頭夾碎，如圖 2(c)所示。試驗(yàn)加載速度為 1mm/min。

　　抗彎試樣參考國標(biāo)[14,15]，試樣尺寸為 300mm × 20mm × 20mm (長(zhǎng)×寬×高)，支撐點(diǎn)跨距為 240mm，受壓方向?yàn)槟静牡南蚁颍鐖D 2(d)所示。抗彎試驗(yàn)加載速度均為 3mm/min。

　　抗剪試樣參考了美國規(guī)范 ASTM D5379/5379 M12 及文獻(xiàn)中的 V 口剪切試樣[16,17]，試驗(yàn)裝置參考了 Yoshihara 等[18]，Hawong 等[19]以及張雷等[20]對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行的改進(jìn)，試樣尺寸為 40mm × 20mm × 20mm (長(zhǎng) ×寬×高)，加載方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，V 口角度為 90°，試驗(yàn)裝置如圖 2(e)所示。此加載裝置的原理是通過在樣本兩側(cè)的 ABS 樹脂塊上施加非對(duì)稱的四點(diǎn)集中荷載，從而在樣本的整個(gè)寬度范圍形成理論的純剪切的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而獲得試樣的抗剪強(qiáng)度，與此同時(shí)，通過粘貼在試樣兩側(cè)對(duì)稱的三向應(yīng)變片采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算抗剪試 樣 的剪切 彈 性 模 量 。 剪切試驗(yàn) 的 加 載 速 度 為 1mm/min。抗剪強(qiáng)度 τij和剪切模量 Gij分別由下式(1)和式(2)計(jì)算， ,max 2 t ij F wt ? ? (i, j=L, R, T) (1) (2 ) ave ij Ш ? П G ?? ? ???? ? ? (i, j=L, R, T) (2) 式中，F(xiàn)t,max為抗剪試樣可承受的最大荷載值，w 為試樣寬度，t 為試樣厚度，τave為根據(jù) Ft計(jì)算得到的試樣承受的剪切應(yīng)力均值，εIII 為斜向應(yīng)變值，εI 和 εII 分別為豎直方向和水平方向的應(yīng)變值。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 典型破壞現(xiàn)象及荷載-位移曲線

　　全截面抗壓試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象及典型荷載-位移 (load-displacement, L-D)曲線如圖 3。順紋受壓試樣表現(xiàn)為半脆性[21]的破壞。加載的初始階段材料表現(xiàn)為線彈性;隨后應(yīng)力出現(xiàn)一段非線性增長(zhǎng)過程，L-D 曲線的切線斜率持續(xù)降低，直到試樣開始出現(xiàn)損傷并達(dá)到極限承載力;隨著位移繼續(xù)增大，試樣損傷加重，應(yīng)力經(jīng)過一段緩慢下降后出現(xiàn)陡降，標(biāo)志著試樣進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，此時(shí)雖然木纖維被壓潰，但試樣仍然具有一定承載力。順紋抗壓試驗(yàn)中常見的 kink band 現(xiàn)象[22,23]在本試驗(yàn)中同樣出現(xiàn)，如圖 3(a)。

　　橫紋受壓試樣與順紋受壓試樣的破壞現(xiàn)象及 L-D 曲線形狀存在顯著差別。最明顯的區(qū)別是，橫紋受壓的L-D 曲線不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力下降段。經(jīng)過相對(duì)短暫的線彈性階段和非線性增長(zhǎng)階段后，L-D 曲線進(jìn)入塑性流動(dòng)階段，此時(shí)應(yīng)力隨著位移的增大緩慢增加。在這一過程中，對(duì)于徑向受壓試樣，由于年輪中的早材細(xì)胞尺寸大、細(xì)胞壁薄，因此首先被壓潰，當(dāng)早材細(xì)胞都被壓潰后，應(yīng)力出現(xiàn)急劇上升;對(duì)于弦向受壓試樣，由于年輪曲率的存在，隨著位移的增大，試樣出現(xiàn)壓彎，當(dāng)靠近髓心一側(cè)的木材纖維壓縮到一定程度后，應(yīng)力同樣急劇上升。

　　對(duì)于橫紋局部抗壓試驗(yàn)，徑向受壓和弦向受壓的 L-D 曲線相似，與全截面橫紋受壓曲線存在略微差異，表現(xiàn)為局部受壓的 L-D 曲線中塑性流動(dòng)階段的曲線斜率略大。這是由于試樣兩側(cè)未受荷部分的水平木纖維對(duì)中部受壓區(qū)提供了一定豎向支撐[12]。橫紋局部受壓試樣的破壞現(xiàn)象均表現(xiàn)為試樣兩端出現(xiàn)水平裂縫，如圖 4(a)和圖 4(b)。這是由于試樣中部纖維橫向受壓，靠近壓頭兩側(cè)的木材纖維起到類似杠桿支點(diǎn)的作用，導(dǎo)致試樣兩端的木材橫向受拉，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫。同樣的，橫紋局部受壓試樣在卸載后，在兩側(cè)裂縫的影響下試樣出現(xiàn)反拱現(xiàn)象，如圖 4(c)所示。

　　順紋抗拉試樣的木纖維在拉力的作用下出現(xiàn)脆性斷裂，由于木纖維的薄弱位置不同，因此試樣的斷面極不規(guī)則，如圖 5 所示。順紋受拉試樣的 L-D 曲線幾乎不存在非線性段，從加載開始直至試樣斷裂之前，曲線幾乎呈現(xiàn)出完全的線彈性。

　　抗彎試驗(yàn)中，彎曲彈性模量的測(cè)試僅發(fā)生在材料的線彈性段，卸載后試樣恢復(fù)。由 L-D 曲線可知，經(jīng)過最初的線彈性階段后，試樣的彎曲應(yīng)力出現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，隨著位移的繼續(xù)增大，應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸減小，直至試樣破壞。彎曲試樣的破壞為脆性破壞，表現(xiàn)為試樣底部的纖維被拉斷，如圖 6 所示。

　　抗剪試驗(yàn)的 LR、LT 試樣的破壞面與 Liu 等[24]采用的 Arcan 剪切試驗(yàn)以及張雷等[20]采用的改進(jìn) Iosipescu 剪切試驗(yàn)的破壞面類似。LR 試樣的剪切破壞面垂直于年輪，因此破壞面相對(duì)比較粗糙，如圖 7(a)和 7(b)所示， LT 試樣的剪切破壞往往發(fā)生在早材和晚材的過渡面，因此相對(duì)光滑，如圖 7(c)所示。由于木纖維的抗剪切能力較強(qiáng)，因此本次試驗(yàn)中 RT 試樣未獲得完美的剪切破壞面。試驗(yàn)過程中，RT 試樣和 ABS 樹脂塊之間的膠粘面早于理論受剪破壞面發(fā)生斷開，與此同時(shí)，受剪試樣的一個(gè)角還會(huì)發(fā)生橫紋受拉破壞，如圖 7(d)，該破壞現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在其他的木材抗剪性質(zhì)研究中[18,25,26]。學(xué)者曾指出剪切強(qiáng)度僅與裂縫出現(xiàn)的時(shí)刻有關(guān)而與其擴(kuò)展方向無關(guān)[20,24]。但就本試驗(yàn)中 RT 試樣的受剪破壞模式來看，裂縫的出現(xiàn)及其擴(kuò)展方向均與 RT 面垂直，因此本次試驗(yàn)測(cè)得的RT面抗剪強(qiáng)度值可能與真實(shí)值存在一定差異，測(cè)試結(jié)果僅供參考。三類試樣得到的荷載-位移曲線具有相似的形狀，在達(dá)到最大應(yīng)力之前，曲線均呈現(xiàn)出非線性特征，隨著位移的增大，應(yīng)力增加的速率逐漸增大，試樣的破壞也均表現(xiàn)為脆性破壞。

　　2.2 力學(xué)性質(zhì)

　　試驗(yàn)測(cè)得的藏青楊無疵試樣的力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)于表 1。除各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的均值和變異系數(shù)(COV)外，補(bǔ)充了每組樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從 T 分布假設(shè)下的 5%以及 95% 分位數(shù)。此外，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過了基于格拉布斯準(zhǔn)則 [27]的異常值剔除。

　　由全截面抗壓試驗(yàn)結(jié)果可見，木材的順紋方向抗壓強(qiáng)度最高，其次為徑向，弦向最小，三者比例約為 8:2:1。弦向受壓樣本變異系數(shù)最大，可能與弦向受壓試樣中年輪曲率的差異有關(guān)。雖然試驗(yàn)前的鋸解和選樣環(huán)節(jié)都注意到了這個(gè)問題，但從結(jié)果來看，年輪曲率的不同對(duì)弦向抗壓強(qiáng)度離散性的影響是不可避免的。

　　壓縮彈性模量的大小關(guān)系與抗壓強(qiáng)度一致，順紋方向、徑向、弦向三者的比例約為 26:3:1。徑向受壓彈性模量的變異系數(shù)最大，可能與試樣中早材的差異有關(guān)。早材相對(duì)較軟，抵抗變形的能力較弱，因此徑向彈性模量主要取決于早材，而不同試樣包含不同的年輪，因此導(dǎo)致徑向受壓彈性模量的變異系數(shù)較大。

　　藏青楊舊材的 6 個(gè)壓縮泊松比，按照大小關(guān)系可以近似分為三檔：νc-RT ?νc-LR, νc-LT, νc-TR ?νc-RL, νc-TL，三者比例約為 20:8:1。泊松比角標(biāo)中短橫杠前字母表示試驗(yàn)類型，短橫杠后第一個(gè)字母表示受壓方向，第二個(gè)字母表示膨脹或收縮方向。變異系數(shù)較大的三個(gè)樣本組分別為 νc-RT, νc-LR 和 νc-TL，即每個(gè)泊松比檔位中均有變異系數(shù)較大的樣本組，由此可見，壓縮泊松比變異系數(shù)的大小與泊松比絕對(duì)值的大小無關(guān)，僅與同組樣本中各個(gè)試樣的木紋理特性有關(guān)。

　　木材屬于正交各向異性材料，12 個(gè)彈性常數(shù)分別為剪切模量：GLR、GLT、GRT;彈性模量：EL、ER、ET;主泊松比：νLR、νLT、νRT;以及次泊松比：νRL、νTL、νTR。其中前 9 個(gè)彈性常數(shù)也被稱為工程常數(shù)。除了 3 個(gè)剪切模量必須通過試驗(yàn)測(cè)得以外，其他 9 個(gè)彈性常數(shù)可通過柔度矩陣的對(duì)稱性計(jì)算得到，如式(3)所示。 LR RL E E L R ? ?? ; LT TL E E L T ? ?? ; RT TR E E R T ? ?? (3) 以本文試驗(yàn)得到三向壓縮彈性模量和主泊松比按式(3) 計(jì)算次泊松比，并與次泊松比試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果示于圖 8。對(duì)比結(jié)果可見，次泊松比的真實(shí)值與理論值十分接近，由此證明抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

　　徑向局部抗壓強(qiáng)度大于弦向，二者比值約 1.5:1。此外，徑向和弦向局部抗壓強(qiáng)度相比較于全截面抗壓強(qiáng)度分別提升 33.8%和 64.2%。這是由于局部抗拉試驗(yàn)中存在荷載擴(kuò)散角，試樣兩側(cè)的自由端部分的木纖維對(duì)中部受壓區(qū)提供了額外的承載力[12]。需要注意的是，這種提升與選取的橫紋局部受壓試樣的高寬比有很大關(guān)系[28]。徑向與弦向局部抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)較為接近，且與全截面橫紋抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)無明顯差異。

　　弦向鋸解試樣與徑向鋸解試樣的順紋抗拉強(qiáng)度相近，但是弦向鋸解試樣的變異系數(shù)明顯大于徑向鋸解試樣，這是由于抗拉強(qiáng)度主要取決于試樣中的晚材含量，徑向鋸解試樣的受拉區(qū)一般由多個(gè)年輪構(gòu)成，晚材含量差異較小，而由于試樣較薄，因此弦向鋸解試樣可能僅包含早材，或者僅包含晚材，導(dǎo)致強(qiáng)度差別較大。由于同樣的原因，弦向鋸解試樣的拉伸彈性模量、泊松比的變異系數(shù)均大于徑向鋸解試樣。由此可見，順紋抗拉試樣的鋸解方法會(huì)影響抗拉性質(zhì)變異系數(shù)。

　　對(duì)比順紋拉伸和順紋壓縮的彈性參數(shù)發(fā)現(xiàn)：就彈性模量而言，徑向鋸解試樣的順紋抗拉彈性模量與順紋抗壓彈性模量十分接近，而弦向鋸解試樣的順紋拉伸彈性模量則增大 20.9%;就泊松比而言，徑向和弦向鋸解試樣順紋拉伸測(cè)得的 νt-LR 和 νt-LT 較順紋壓縮的 νcLR 和 νc-LT，分別增大 13.0%和 23.6%。由此可見，無論是彈性模量還是泊松比，弦向鋸解試樣的抗拉性質(zhì)均與順紋抗壓性質(zhì)差異較大，同樣與拉伸試樣的鋸解方式有關(guān)。

　　藏青楊舊材的抗彎強(qiáng)度略小于順紋抗拉強(qiáng)度，彎曲彈性模量略小于順紋抗壓彈性模量。需要注意的是，本研究測(cè)試的是闊葉材弦向抗彎試樣，有研究指出闊葉材的弦向和徑向抗彎強(qiáng)度不存在顯著差異，而針葉材的弦向抗彎強(qiáng)度一般比徑向高出 10%-12%[29]。

　　剪切試驗(yàn)中，RT 試樣并未在 RT 面發(fā)生剪切破話，因此本文中 τRT 的結(jié)果僅作參考。LR 面和 LT 面的抗剪強(qiáng)度近似，由于它們的變異系數(shù)均較大，因此可以認(rèn)為二者不存在顯著差異。LR 面抗剪強(qiáng)度的變異系數(shù)是所有試驗(yàn)中變異系數(shù)最大的，與 LR 試樣的剪切破壞面比較粗糙有關(guān)。粗糙的破壞面增大了實(shí)際的受剪面積，各個(gè)試樣實(shí)際受剪面積的差異可能是導(dǎo)致變異系數(shù)較大的原因。由于同樣的原因，GLR 的變異系數(shù)同樣遠(yuǎn)大于 GLT 和 GRT。剪切模量中 GLT 最大，其次是 GRT，GLR 最小。

　　綜合來看本次試驗(yàn)測(cè)得的所有強(qiáng)度參數(shù)，大致存在以下規(guī)律：σt-L>MOR ? σc-L? τLR, τLT>σlc-R, σc-R>σlcT, σc-T;彈性模量的規(guī)律為：Et, Ec>MOEb ? GLR, GLT, GRT, Ec-R>Ec-T。

　　2.3 與替換用材的對(duì)比

　　本節(jié)對(duì) 比了藏 青楊 舊材 (Aged Tibetan Populuscathayana, ATPC)和其他木材的力學(xué)性質(zhì)，以期為藏式古建筑的維修加固工作提供參考。

　　對(duì)比木材包括藏青楊新材(New Tibetan Populus cathayana, NTPC)[7]以及藏式古建木結(jié)構(gòu)的常用替換用材，如紅松(Pinus koraiensis, PK) [30]、樟子松(Pinus sylvestni, PS)[31]、落葉松(Larix gmelinii, LG)[32]等。除此之外，同為青楊木的甘肅青楊(Gansu Populus cathayana, GPC)[33]，以及美國林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室(FPL)編撰的 Wood handbook[34]中提供的北美三角葉楊(Eastern cottonwood, EC)的力學(xué)性質(zhì)也參與了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果示于表 2。

　　由對(duì)比結(jié)果可見，三種替換松木、藏青楊新材以及北美三葉楊的順紋抗壓強(qiáng)度均高于藏青楊舊材，僅甘肅青楊略低。紅松和落葉松的徑向抗壓強(qiáng)度均高于藏青楊舊材，而同為楊柳科的甘肅青楊和北美三葉楊則較低;紅松的弦向抗壓強(qiáng)度高于藏青楊舊材，而甘肅青楊則較低。對(duì)于順紋抗拉強(qiáng)度，所有對(duì)比樹種均高于藏青楊舊材，尤其是樟子松和落葉松，二者均高出約 55.8%。樟子松、藏青楊新材和北美三葉楊的抗彎強(qiáng)度和彎曲彈性模量均高于藏青楊舊材，而甘肅青楊則較低。抗剪強(qiáng)度方面，僅紅松木 LT 面抗剪強(qiáng)度和甘肅青楊 LR 面抗剪強(qiáng)度低于藏青楊舊材，其他對(duì)比材料均在一定程度上高于藏青楊舊材。整體來看，強(qiáng)度參數(shù)絕對(duì)值的對(duì)比中，僅甘肅青楊的大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)劣于藏青楊舊材(除了順紋抗拉強(qiáng)度)，其他對(duì)比樹種的大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均在一定程度上優(yōu)于藏青楊舊材(除了紅松的 τLT 和北美三葉楊的 σc-R)。

　　對(duì)于古建筑木結(jié)構(gòu)，尤其是構(gòu)件尺寸較大的藏式木結(jié)構(gòu)，替換用材要與未替換舊材共同工作，因此所有替換用材的強(qiáng)重比同樣需要考慮。基于密度及藏青楊舊材力學(xué)性質(zhì)歸一化處理后的不同樹種間力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比結(jié)果示于圖 9。

　　由圖 9 可見，歸一化處理后的對(duì)比結(jié)果與力學(xué)性質(zhì)絕對(duì)值的對(duì)比結(jié)果存在一定差異。文獻(xiàn)[7]提供的三項(xiàng)藏青楊新材力學(xué)性質(zhì)經(jīng)歸一化后均略低于藏青楊舊材，由此可見，木材舊材的力學(xué)性質(zhì)并非一定會(huì)低于新材[35]。歸一化后的甘肅青楊與藏青楊舊材的力學(xué)性質(zhì)對(duì)比結(jié)果與表 2 大致相同，均表現(xiàn)出大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)劣于藏青楊。三種替換用松木歸一化后的力學(xué)性質(zhì)與藏青楊舊材的關(guān)系則明顯不同于表 2。其中紅松和樟子松的大多數(shù)的力學(xué)性質(zhì)劣于藏青楊舊材，僅有落葉松的大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)略優(yōu)于藏青楊舊材(除了徑向抗壓強(qiáng)度)。北美三葉楊大多數(shù)歸一化后的力學(xué)性質(zhì)與藏青楊舊材十分接近，僅徑向抗壓強(qiáng)度明顯低于藏青楊舊材。通過以上分析可知，對(duì)于絕大多數(shù)受荷工況的藏式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，落葉松是相對(duì)更為合適的替換材料，若僅需要對(duì)橫紋徑向受壓構(gòu)件進(jìn)行替換時(shí)，則建議使用紅松。需要注意的是，木材的含水率情況會(huì)直接影響到木材的密度，從而影響木材的強(qiáng)重比以及基于密度歸一化的對(duì)比結(jié)果，部分表 2 中不同樹種力學(xué)性質(zhì)的原始文獻(xiàn)并未提供含水率數(shù)據(jù)，因此圖 9 是未考慮含水率差異前提下的對(duì)比結(jié)果。

　　3 結(jié)論

　　1)年輪曲率的存在會(huì)對(duì)全截面弦向抗壓試樣的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，同時(shí)導(dǎo)致弦向抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)較大;壓縮泊松比變異系數(shù)的大小與泊松比絕對(duì)值的大小無關(guān)，僅與同組樣本中各個(gè)試樣的木紋理特性有關(guān);對(duì)于本研究使用的高寬比 1:3 的橫紋局部抗壓試樣，徑向和弦向的局部抗壓強(qiáng)度較全截面抗壓強(qiáng)度分別提升 33.8%和 64.2%。

　　2)對(duì)于本研究使用的小尺寸抗拉試樣，試樣的鋸解方式對(duì)抗拉性質(zhì)影響較大。與徑向鋸解的試樣相比，弦向鋸解試樣抗拉性質(zhì)的變異系數(shù)較大，且與順紋抗壓性質(zhì)差異較大。

　　3)基于改進(jìn)的 Iosipescu 剪切方法測(cè)試的 LT 剪切試樣的破壞面比較光滑，而 LR 試樣的剪切破壞面相對(duì)粗糙，且粗糙的破壞面可能是導(dǎo)致 LR 面抗剪性質(zhì)變異系數(shù)較大的原因。

　　4)對(duì)于文物類建筑而言，在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用與被替換構(gòu)件相同樹種的木材進(jìn)行替換。對(duì)于藏青楊木構(gòu)件需要替換的情況，當(dāng)同樹種木材無法獲取時(shí)，可以參考基于強(qiáng)度指標(biāo)的替換材評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)比藏青楊舊材和三種替換松木以及其他相近樹種力學(xué)性質(zhì)的絕對(duì)值，發(fā)現(xiàn)僅甘肅青楊的大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)劣于藏青楊舊材，而其他樹種的大多數(shù)力學(xué)性質(zhì)均在一定程度上優(yōu)于藏青楊舊材;當(dāng)考慮替換材料的強(qiáng)重比時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于絕大多數(shù)受荷工況的藏式木結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，落葉松是相對(duì)更為合適的替換材料，若僅需要對(duì)橫紋徑向受壓構(gòu)件進(jìn)行替換時(shí)，則建議使用紅松。

　　本文關(guān)于藏青楊古木材與其他樹種力學(xué)性質(zhì)的討論僅是古建筑結(jié)構(gòu)替換材評(píng)價(jià)指標(biāo)的一個(gè)方面。除此之外，替換構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的協(xié)同工作能力、替換材在古建結(jié)構(gòu)服役環(huán)境中對(duì)環(huán)境溫、濕度的適應(yīng)能力等都是評(píng)價(jià)替換材合適與否的重要組成方面，本文列舉的藏青楊替換材在這些方面是否具備良好的適用性仍需開展更為深入的研究工作。