藏青楊舊材無(wú)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(guò)對(duì)鋸解自一根典型藏式古建木結(jié)構(gòu)舊梁的無(wú)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(guò)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(wú)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(guó)傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)截然不同。由于受到雨水、蟲(chóng)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(wú)明顯缺陷的無(wú)疵小樣。在獲得了無(wú)疵小樣的力學(xué)性能后，通過(guò)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(guò)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?；谝陨涎芯?，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(lái)。構(gòu)件外觀無(wú)明顯變形或破壞，僅存在多出較為明顯的裂紋，鋸解后可見(jiàn)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(wú)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(guó)標(biāo) GB 1929-2009[8]對(duì)梁構(gòu)件進(jìn)行鋸解，分別獲得用于開(kāi)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(wàn)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(guò)程中通過(guò) 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(guò)程中的荷載數(shù)據(jù)及應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò) 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(guò)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(guò)在試樣表面粘貼應(yīng)變片來(lái)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?，加載塊寬度為 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)?？估囼?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(guó)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?？箯澰囼?yàn)加載速度均為 3mm/min。

　　抗剪試樣參考了美國(guó)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(guò)在樣本兩側(cè)的 ABS 樹(shù)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(guò)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?？辜魪?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(guò)程，L-D 曲線的切線斜率持續(xù)降低，直到試樣開(kāi)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)程中，RT 試樣和 ABS 樹(shù)脂塊之間的膠粘面早于理論受剪破壞面發(fā)生斷開(kāi)，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(wú)關(guān)[20,24]。但就本試驗(yàn)中 RT 試樣的受剪破壞模式來(lái)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(wú)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(guò)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(jiàn)，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(wèn)題，但從結(jié)果來(lái)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(jiàn)，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(wú)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(guò)試驗(yàn)測(cè)得以外，其他 9 個(gè)彈性常數(shù)可通過(guò)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(jiàn)，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(wú)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(jiàn)，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(jiàn)，無(wú)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(lái)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(guó)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(jiàn)，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(shù)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(lái)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(shù)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?；诿芏燃安厍鄺钆f材力學(xué)性質(zhì)歸一化處理后的不同樹(shù)種間力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比結(jié)果示于圖 9。

　　由圖 9 可見(jiàn)，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(jiàn)，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(guò)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(shù)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(wú)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(shù)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(shù)種木材無(wú)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(guò)對(duì)比藏青楊舊材和三種替換松木以及其他相近樹(shù)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(shù)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(shù)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(kāi)展更為深入的研究工作。