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《结构用锯材力学性能测试方法》GB/T 28993-2012

住房和城乡建设部
实施时间:2013-06-01
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 前言

中华人民共和国国家标准

结构用锯材力学性能测试方法

Standard test methods for mechanical properties of structural lumber

GB/T 28993-2012

发布部门:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

中国国家标准化管理委员会

发布日期:2012年12月31日

实施日期:2013年06月01日

本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由国家林业局提出。

本标准由全国木材标准化技术委员会结构用木材分技术委员会(SAC/TC 41/SC 4)归口。

本标准起草单位:中国林业科学研究院木材工业研究所

苏州皇家整体住宅系统股份有限公司

贵州铭杉木制别墅制造有限公司

钻石木中国有限公司

南京工业大学

苏州香山宜构科技有限公司

本标准主要起草人:吕建雄 江京辉 任海青 骆秀琴 周海宾 殷亚方 倪竣 王欣 朱琦敏 陆伟东

1范围

1

本标准规定了结构用锯材抗弯强度和抗弯弹性模量、顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度、横纹抗拉强度、横纹抗压强度和横纹抗压弹性模量、扭转弹性模量测试方法。

本标准适用于锯材。

2规范性引用文件

2 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 1933 木材密度测定方法

GB 50005 木结构设计规范

3术语和定义

3 术语和定义

GB 50005界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1 锯材 lumber

经锯剖、再剖、干燥、刨光、截端、分等生产出具有一定规格尺寸、质量等级和使用特性的锯制产品。

3.2 锯材宽度 width

锯材窄面之间的垂直距离。

4测试试件

4 测试试件

试件经温度(20±2)℃和相对湿度(65±5)%的条件下调整至衡重,对应含水率为12%。

试件应从足尺截面锯材中选取,试件的长度要求按第6章规定,最大降低强度缺陷应随机放置在测试区域内。

测试前,宜记录试件树种、产地、最大降低强度缺陷、干燥方法、含水率调整方法、重量和尺寸。试件的重量和尺寸的精确度为1%。

试验后,立即在破坏部位附近截取长15mm整截面无缺陷的含水率片,用烘干法进行含水率测定。密度测定按GB/T 1933的规定。

5测试条件

5 测试条件

力学性能测试应在室内温度(20±2)℃和相对湿度(65±5)%的环境中进行;有特殊研究目的,或特殊要求,可改变测试条件。选择合适的加载速度,试件宜在1min左右破坏,破坏时间应大于10s,小于10min。应记录测试时温度、相对湿度、锯材含水率和锯材破坏时间。

《结构用锯材力学性能测试方法》GB/T 28993-2012

6测试

6.1 抗弯强度和抗弯弹性模量

6

6.1 抗弯强度和抗弯弹性模量

6.1.1 试验设备

6.1.1.1 试件支承加载夹具:支承块宽度应大于试件厚度,长度应大于试件厚度的1/2,通常不超过200mm,如图1所示。试件截面的宽度与厚度比b/d≥3时,应增加侧向支撑以防止侧向变形,而且不应阻碍试件在荷载方向上的变形。

说明:

A——试件固定端;

B——跨度内中点;

C——试件移动端;

F——荷载;

L——跨度;

e——试件挠度;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度。

图1 抗弯强度和抗弯弹性模量测试示意图

6.1.1.2 加载装置应满足规定精度。

6.1.2 试件

试件最小长度不能小于试验跨距,试验时跨度与锯材截面宽度比(L/b)为17:1至21:1,其比宜采用18:1。在支承点以外试件长度应小于10倍试件宽度,同时应大于2倍试件宽度。试件的尺寸以实际测量的尺寸为准。

6.1.3 试验步骤

6.1.3.1 在试验前,应测量试件截面尺寸和长度。

6.1.3.2 将试件放在支座上,试件最大强度降等缺陷应尽量放置在加载点之间,弯曲受拉面随机选择。弯曲时,钝棱、大面积腐朽等缺陷不应放置在加载位置,避免由于大面积缺失或局部丧失承载能力而出现测量误差。

6.1.3.3 测试抗弯弹性模量时,测量试件挠度的上、下限荷载差为最大荷载的10%~40%,为保证加荷范围不超过试件的比例极限应力,试验前,可在每批试件中,选2~3个试件进行观察试验,绘制荷载-挠度曲线,在其直线范围内确定上、下限荷载。试验机以均匀速度先加荷至下限荷载,立即记录锯材挠度。然后加荷至上限荷载,再次记录锯材挠度,随即卸荷。如此反复3次。每次卸荷,应稍低于下限,然后再加荷至下限荷载。

6.1.3.4 抗弯弹性模量试验完毕后,持续加载至试件完全破坏。

6.1.3.5 记录荷载-挠度曲线、初次破坏、最大荷载以及发生突然变化处的荷载,描述试件破坏特征。

6.1.4 计算结果

抗弯弹性模量Em,应该从荷载-挠度图中的线弹性部分选择对于荷载每增加△F,相应引起的挠度增加量△e,按式(1)计算,准确至10MPa:

式中:

Em——抗弯弹性模量,单位为兆帕(MPa);

L——试样跨度,单位为毫米(mm);

b——试件截面宽度,单位为毫米(mm);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm);

△F——上、下限荷载差,单位为牛顿(N);

△e——△F引起的挠度,单位为毫米(mm)。

抗弯强度按式(2)计算,准确至0.1MPa:

式中:

fm——抗弯强度,单位为兆帕(MPa);

Fmax——最大荷载,单位为牛顿(N);

L——试样跨度,单位为毫米(mm);

b——试件截面宽度,单位为毫米(mm);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

6.2 顺纹抗拉强度

6.2 顺纹抗拉强度

6.2.1 试验设备

6.2.1.1 夹紧装置:可将拉伸荷载从驱动夹头传递至固定夹紧端,如图2所示。在试件截面上不施加任何弯曲冲量,允许在拉伸荷载下产生滑移,避免造成试样在夹头内破坏或应力集中破坏。该设备可通过平板连接到试件上,或通过其他形式夹紧试件。

说明:

l——拉伸夹具;

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度。

图2 顺纹抗拉强度测试示意图

6.2.1.2 加载装置:应匀速加载,并满足荷载精度可移动的加载夹具。在加载过程中拉伸夹紧处木材破坏最小,滑移尽量小。根据试验要求,可调整移动和固定拉伸夹头之间的距离。

6.2.1.3 加载:可显示最大荷载,并且可进行校正以确保精度。

6.2.2 试件

试件最大降低强度缺陷随机分布在测试区域内,试件测试长度应不小于12b,同时试件长度应包含夹具长度。

6.2.3 试验步骤

6.2.3.1 测量试件截面尺寸和长度。

6.2.3.2 将试件放在2个拉伸夹具之间并使两者轴线对中。夹具通过螺栓或者是楔形钳夹来夹紧试件。如采用后者应当施加很小的预应力,以确保每个钳夹移动相等的量,保持试件和钳夹沿轴向对齐。如果采用螺栓或者是楔形钳夹,则需要稳定而有力的夹紧钳夹,防止滑移。

6.2.3.3 记录荷载-变形曲线和最大荷载,描述试件破坏的特征。

6.2.4 计算结果

顺纹抗拉强度ft,0按式(3)计算,准确至0.1MPa:

ft,0=Fmax/db …………………………(3)

式中:

ft,0——顺纹抗拉强度,单位为兆帕(MPa);

Fmax——最大荷载,单位为牛顿(N);

b——试件截面宽度,单位为毫米(mm);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

6.3 顺纹抗压强度

6.3 顺纹抗压强度

6.3.1 试验设备

6.3.1.1 加载装置:具有各向自由转动的作用,荷载均匀地分布在轴心上,并可控制加载速度和满足加载精度要求。

6.3.1.2 支承块:荷载应均匀作用在试件横截面,而不产生偏心。采用球铰作为轴心抗压试验的支承装置时,球的半径宜小,有利于转动灵活和准确对中。球面半径宜为试件截面尺寸最大边(试件与球座之间的承压面)的1~2倍。

6.3.1.3 侧向支撑:当试件的b/d>3时,利用侧向支撑防止试件在测试过程中产生扭曲,而侧向支撑在试件的宽侧面的压力应对称,同时不妨碍试件长度方向的压缩变形和加载。侧向支撑可是连续的,也可是间断的,但应对称布置的,非连续测向支撑之间的间距应当小于横截面的回转半径的17倍。

6.3.2 试件

试件最大降低强度缺陷随机分布在测试区域内,试件长度应为8b+2000mm,如图3所示。沿试件长度方向施加压缩荷载F,直到试件发生破坏。为了防止试件长度方向发生扭曲,侧向支撑滚柱之间的间距范围为10d~10b。

说明:

l——侧向支撑;

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度。

图3 顺纹抗压强度测试示意图

也可采用短柱法测试顺纹抗压强度,应从每一个试件块中至少截取2块测试试件,其中一块包含最大强度降等缺陷,另一块包含次要降等强度缺陷,试件的长度应不小于2.5b,代替该锯材最薄弱的截面。

对于最大和次最大降低强度缺陷分别小于要求的长度,并且两个缺陷又彼此独立的试件,在两个试件中间截断。然后,将每一个测试试件截至需要的长度。如果两个降等非彼此独立的话,则在一个试件中包含两个缺陷(即使试件的长度超过要求的长度)。最后,参照上述方法,选择第二个测试横截面。注意锯解时锯口不经过主要缺陷。然后对于上述锯截后短试件施加柱向压缩荷载,为了使荷载均匀地分布在接触表面上,不产生偏心,应当至少采用一个圆球形的支撑块,如图4所示,其最大半径应便于支承板调整,最小半径应当提供足够大的接触面积。此半径一般为试件的最大横截尺寸的1~2倍。球心应当落在试件的接触平面上。

6.3.3 试验步骤

6.3.3.1 测量试件的横截面尺寸和长度。

6.3.3.2 将试件放在压缩夹具上,注意使试件的长柱与加载方向保持一致。

6.3.3.3 对短柱顺纹抗压强度试验,将2块短试件加载至到破坏,选取其中的较小荷载为该锯材的最大荷载。

6.3.3.4 记录荷载-变形曲线和最大荷载,描述试件破坏特征。

6.3.4 计算结果

顺纹抗压强度fc,0按式(4)计算,准确至0.1MPa:

fc,0=Fmax/db …………………………(4)

式中:

fc,0——顺纹抗压强度,单位为兆帕(MPa);

F——最大荷载,单位为牛顿(N);

b——试件截面宽度,单位为毫米(mm);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

6.4 顺纹抗剪强度

6.4 顺纹抗剪强度

顺纹抗剪强度测试示意图如图5所示。加载至试件破坏为止。

说明:

l——试件;

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度;

R3——金属垫片倒角半径3mm。

图5 顺纹抗剪强度测试示意图

顺纹抗剪强度fv按式(5)计算,准确至0.1MPa:

fv=0.75Fmax/db …………………………(5)

式中:

fv——顺纹抗剪强度,单位为兆帕(MPa);

Fmax——最大荷载,单位为牛顿(N);

b——试件截面宽度,单位为毫米(mm);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

锯材可能由于如弯曲、横纹压缩等非剪切变形方式而发生破坏。但所有测试结果都应用于评估剪切强度性质。式(5)通过提供测试试件承载能力的标准化描述,可计算得到名义剪切强度。

另一种测试方法——双跨距加载方式,示意图如图A.1,或其他测试方法。应建立双跨距与单跨距两种测试方法的对等关系。

6.5 横纹抗拉强度

6.5 横纹抗拉强度

横纹抗拉强度测试示意图如图6所示,横纹抗拉强度试件应包含锯材完整的横截面,试件长度lh等于b/3,采用三点弯曲测试方法如图6所示,加载到破坏为止,记录最大载荷。

说明:

l——试件纹理方向;

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度;

lh——锯截后试件长度。

图6 横纹抗拉强度测试示意图

横纹抗拉强度ft,90按式(6)计算,准确至0.1MPa:

ft,90=(3.75Fmax/dlh)×(0.03dlh2/8003)0.2…………………………(6)

式中:

ft,90——横纹抗拉强度,单位为兆帕(MPa);

Fmax——最大荷载,单位为牛顿(N);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm);

lh——锯截后试件长度,单位为毫米(mm)。

注:(0.03dlh2/8003)0.2为因子,名义拉伸强度等于边长为800mm的方形锯材的强度。

《结构用锯材力学性能测试方法》GB/T 28993-2012

6.6 横纹抗压强度和横纹抗压弹性模量

6.6 横纹抗压强度和横纹抗压弹性模量

横纹抗压强度和横纹抗压弹性模量测试示意图如图7a)所示。通过长度为90mm,宽度为d+10mm的一对钢板施加荷载。测试设备的加载头应固定,不发生扭转。在加载过程中,绘制出荷载-挠度曲线,如图7c)所示。加载至锯材发生破坏或者变形总量达到20mm,即可停止试验。如果试件存在发生弯扭的趋势,则应使用侧向支撑约束在加载过程中产生的弯扭。

说明:

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度;

R3——金属承载片倒角半径3mm;

Y轴——载荷;

X轴——变形;

Fult——极限荷载;

Fy——弹性范围的直线偏移2mm时与挠度曲线的交点对应荷载;

△e——变形差;

△F——荷载差;

F0.1b——0.1b变形对应荷载。

图7 横纹抗压强度和横纹抗压弹性模量测试示意图

横纹抗压强度fc,90按式(7)或式(8)计算,准确至0.1MPa:

fc,90=Fult/90d …………………………(7)

式中:

fc,90——横纹抗压强度,单位为兆帕(MPa);

Fult——极限荷载,单位为牛顿(N);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

fc,90=F20/90d …………………………(8)

式中:

fc,90——横纹抗压强度,单位为兆帕(MPa);

F20——变形总量达到20mm时荷载,单位为牛顿(N);

d——试件截面厚度,单位为毫米(mm)。

屈服强度fc,90y按式(9)计算,准确至0.1MPa:

fc,90y=Fy/90d …………………………(9)

式中:

fc,90y——屈服强度,单位为兆帕(MPa);

Fy——弹性范围的直线偏移2mm时与挠度曲线的交点对应荷载,单位为牛顿(N)。

横纹抗压弹性模量Kc,90按式(10)计算,准确至10MPa:

Kc,90=(△F/△e)/90d …………………………(10)

式中:

Kc,90——横纹抗压弹性模量,单位为兆帕(MPa);

△F/△e——荷载-挠度曲线的斜率,单位为牛顿每毫米(N/mm)。

6.7 扭转弹性模量

6.7 扭转弹性模量

扭转弹性模量的测试示意图如图8所示。位于夹持端部与扭转平面之间的锯材长度为LT,LT长度等于18d,对长度为lt的手柄加载F获得扭曲,lt长度为500mm。

说明:

1——夹持端部;

2——扭转平面;

LT——扭转后的试件长度;

lt——扭转后手臂水平长度;

θ——扭转角度。

图8 扭转弹性模量测试示意图

扭转弹性模量Gt,0按式(11)计算,准确至10MPa:

Gt,0=LTlt/bd3[1-0.63(b/d)]×(△F/△θ)…………………………(11)

式中:

Gt,0——扭转弹性模量,单位为兆帕(MPa);

LT——扭转后的试件长度,单位为毫米(mm);

lt——扭转后手臂水平长度,单位为毫米(mm);

△F/△θ——荷载-扭转角度曲线的斜率,单位为牛顿每度[N/(°)]。

 附录A顺纹抗剪强度双跨测试

附录A

(规范性附录)

顺纹抗剪强度双跨测试

作为测试顺纹抗剪强度替代方法,单跨测试示意图如图5所示,双跨测试示意图如图A.1所示,在此测试中,在加载之前应确定所有支撑点。然后加载至锯材被破坏,极限荷载为Fult,顺纹抗剪强度fv按式(A.1)计算,准确至0.1MPa:

fv=0.516Fult/db …………………………(A.1)

式中:

fv——顺纹抗剪强度,单位为兆帕(MPa);

Fult——极限荷载,单位为牛顿(N);

b——试样宽度,单位为毫米(mm);

d——试样厚度,单位为毫米(mm)。

双跨测试的顺纹抗剪强度比单跨的大,因而评估针叶材锯材顺纹抗剪强度时,顺纹抗剪强度与抗弯强度比值要高。

说明:

l——试件;

F——荷载;

d——试件截面厚度;

b——试件截面宽度;

R3——金属垫片倒角半径3mm。

图A.1 顺纹抗剪强度双跨测试示意图

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