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        結(jié)構(gòu)用規(guī)格材抗彎強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

        2014-10-12 01:00:44呂建雄江京輝王宏棣黃在華
        建筑材料學(xué)報(bào) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:對(duì)數(shù)因數(shù)規(guī)格

        趙 秀, 呂建雄, 江京輝, 王宏棣, 黃在華

        (1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究院 國(guó)家林業(yè)局制材研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所,北京 100091)

        對(duì)規(guī)格材強(qiáng)度性質(zhì)的研究表明,規(guī)格材的抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度均會(huì)因尺寸和加載形式的變化而發(fā)生改變.規(guī)格材的強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)[1].Bohannan[2]將 Weibull脆性斷裂理論用于研究尺寸和加載條件對(duì)無(wú)疵小試件抗彎強(qiáng)度的影響,他發(fā)現(xiàn)增加寬度或者長(zhǎng)度均會(huì)引起規(guī)格材平均抗彎強(qiáng)度降低,只有厚度對(duì)其抗彎強(qiáng)度沒(méi)有影響;Madsen等[3]發(fā)現(xiàn)規(guī)格材的抗彎性能長(zhǎng)度尺寸效應(yīng)以及抗拉性能長(zhǎng)度和寬度尺寸效應(yīng)與Buchanan的理論近似.

        最弱鏈理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)用木制品尺寸效應(yīng)的研究中.由Weibull分布可知,在其中兩種幾何尺寸及加載條件確定的前提下,強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與尺寸的對(duì)數(shù)呈線(xiàn)性相關(guān).這種相關(guān)性已經(jīng)用來(lái)確定長(zhǎng)度、寬度及厚度的尺寸效應(yīng).

        本文研究了興安落葉松規(guī)格材抗彎強(qiáng)度在長(zhǎng)寬比為18∶1時(shí)的尺寸效應(yīng)因數(shù).鑒于目前中國(guó)還未建立規(guī)格材抗彎強(qiáng)度的尺寸調(diào)整方法,本研究可對(duì)建立中國(guó)結(jié)構(gòu)用規(guī)格材抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的方法提供參考,還可為木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中落葉松規(guī)格材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

        1 基本理論

        統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論和最弱鏈理論多年來(lái)為傳統(tǒng)脆性斷裂研究奠定了基礎(chǔ).最弱鏈理論假定材料由許多小的單元組成,當(dāng)材料中任一單元或“鏈”失效即認(rèn)為破壞.每個(gè)“鏈”應(yīng)力自0到σ失效的概率可以采用分布函數(shù)F(σ)來(lái)描述:

        1939年,Weibull提出了一個(gè)至關(guān)重要的分布:具有極小概率的極小強(qiáng)度尾分布(tail distribution),該分布后來(lái)在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱(chēng)為 Weibull分布[4-6].根據(jù) Weibull分布,單位體積Vr在均勻分布的應(yīng)力σ作用下,失效概率F(σ)表示為:

        式中:m為 Weibull分布的尺寸參數(shù);K為 Weibull分布的形狀參數(shù).

        對(duì)于任一體積為V的試件,在均勻分布應(yīng)力σ*作用下,其失效概率為:

        式(3)中的m和K 可以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Weibull分布擬合來(lái)獲得.

        如果材料強(qiáng)度變化能夠用Weibull分布描述,那么,對(duì)于破壞概率相同、應(yīng)力均勻分布的2個(gè)試件有如下關(guān)系:

        式(4)直接將強(qiáng)度與材料體積聯(lián)系在一起,使尺寸效應(yīng)得到量化.

        對(duì)式(4)連續(xù)兩次取對(duì)數(shù),得到如下表達(dá)式:

        由式(5)可知,脆性材料強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與尺寸的對(duì)數(shù)之間存在線(xiàn)性關(guān)系.

        2 試驗(yàn)材料與方法

        興安落葉松由黑龍江省新林林業(yè)局翠崗林場(chǎng)和塔河林業(yè)局盤(pán)古林場(chǎng)采集,原木徑級(jí)16~34cm,樹(shù)齡35a,造材長(zhǎng)度4.0m.制成40mm×65mm×4 000mm,40mm×90mm×4 000mm,40mm×140mm×4 000mm這3種規(guī)格材.依據(jù)GB 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中輕型木結(jié)構(gòu)用規(guī)格材的目測(cè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)興安落葉松規(guī)格材進(jìn)行目測(cè)分等,以Ⅰc,Ⅱc,Ⅲc,Ⅳc等級(jí)規(guī)格材作為本次試驗(yàn)材料.

        本文采用 ASTM D4761-05[7]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)規(guī)格材進(jìn)行抗彎強(qiáng)度(MOR)測(cè)試.

        MOR測(cè)試采用三分點(diǎn)加載形式,長(zhǎng)寬比為18∶1.40mm×65mm×4 000mm,40mm×90mm×4 000mm,40mm×140mm×4 000mm規(guī)格材所對(duì)應(yīng)的抗彎測(cè)試跨度分別為1 170mm,1 620mm,2 520mm.引起強(qiáng)度降等的最大缺陷的隨機(jī)分布在試件測(cè)試長(zhǎng)度內(nèi),破壞時(shí)間在1min內(nèi).試驗(yàn)材料的試樣數(shù)見(jiàn)表1.

        表1 試驗(yàn)材料的試樣數(shù)Table 1 Sample number of test material

        根據(jù)最弱鏈理論,規(guī)格材的強(qiáng)度與體積成反比.對(duì)于規(guī)格材這種厚度一致的材料,無(wú)需考慮其厚度尺寸效應(yīng).在載荷分布均勻,試件最終強(qiáng)度為σ1和σ2,縱截面的面積為A1和A2時(shí),面積與最終強(qiáng)度的關(guān)系可表達(dá)為:

        式中:SA為面積影響因數(shù).

        如果單獨(dú)考慮試件的寬度和長(zhǎng)度尺寸效應(yīng),則試件最終強(qiáng)度與試件寬度、長(zhǎng)度的關(guān)系可表達(dá)為:

        式中:W 為縱截面寬度;L為縱截面長(zhǎng)度;SW為寬度影響因數(shù);SL為長(zhǎng)度影響因數(shù).

        如果寬度和長(zhǎng)度都是單獨(dú)變量,則可以通過(guò)式(7)考察寬度W 和長(zhǎng)度L效應(yīng).對(duì)于相同長(zhǎng)寬比(R)試件 L1=RW1,L2=RW2,則式(7)可表達(dá)為:

        根據(jù)長(zhǎng)寬比尺寸效應(yīng)因數(shù)SR,SW和SL之間的關(guān)系:SR=SW+SL[8],式(8)可表達(dá)為:

        根據(jù)式(9),可通過(guò)對(duì)抗彎強(qiáng)度百分位值的對(duì)數(shù)及規(guī)格材寬度的對(duì)數(shù)進(jìn)行回歸分析,求得SR,即線(xiàn)性回歸的斜率.采用方差分析來(lái)檢驗(yàn)等級(jí)和強(qiáng)度百分位數(shù)對(duì)長(zhǎng)寬比尺寸效應(yīng)因數(shù)的影響.由于3種尺寸規(guī)格材目測(cè)等級(jí)的Ⅱc和Ⅳc等級(jí)的試樣數(shù)較少,在估計(jì)其百分位值時(shí),誤差較大,因此,本文僅以3種尺寸規(guī)格材的Ⅰc和Ⅲc等級(jí)為例來(lái)計(jì)算興安落葉松規(guī)格材抗彎強(qiáng)度的長(zhǎng)寬比尺寸效應(yīng)因數(shù)SR.

        由于試材含水率同樣影響其強(qiáng)度,因此在分析規(guī)格材尺寸效應(yīng)因數(shù)時(shí),應(yīng)根據(jù)含水率效應(yīng),將規(guī)格材強(qiáng)度調(diào)整至統(tǒng)一含水率為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后進(jìn)行分析.

        3 結(jié)果與討論

        本文采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行估計(jì).如果非參數(shù)估計(jì)的累積分布為Rp,則其5%分位值表示為R0.05.非參數(shù)累積分布的點(diǎn)估計(jì)過(guò)程如下:

        (1)X1,X2,…,Xn是來(lái)自總體X 的簡(jiǎn)單隨機(jī)樣本,將其按從小到大的順序排列:X(1)≤X(2)≤…≤X(n).則稱(chēng) X(1),X(2),…,X(n)為總體 X 的順序統(tǒng)計(jì)量,n是樣本包含的試樣數(shù).

        (2)計(jì)算i,使下式成立:

        (3)j為大于或等于i的最小正整數(shù),采用線(xiàn)性插值法計(jì)算p分位值如下:

        由于本試驗(yàn)采用一致的跨高比對(duì)3種尺寸規(guī)格材進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能得到抗彎強(qiáng)度的長(zhǎng)寬比尺寸效應(yīng).首先,計(jì)算Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的21個(gè)百分位數(shù)(0.02,0.05,0.10,0.15,…,0.90,0.95,0.98)的抗彎強(qiáng)度值,對(duì)于每個(gè)等級(jí),每個(gè)百分位數(shù)均有3個(gè)強(qiáng)度值(3種尺寸規(guī)格材強(qiáng)度值的分位值)與之對(duì)應(yīng),對(duì)強(qiáng)度百分位值的對(duì)數(shù)及寬度的對(duì)數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,直線(xiàn)的斜率即該點(diǎn)長(zhǎng)寬比尺寸影響因數(shù)SR.Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的21個(gè)百分位數(shù)與SR的關(guān)系見(jiàn)圖1.圖1中Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的SR差異明顯,Ⅰc等級(jí)的SR隨著強(qiáng)度增大先略微增大后減小,在強(qiáng)度值最大處又明顯上升;Ⅲc等級(jí)的SR整體隨著強(qiáng)度增大呈下降趨勢(shì).Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的SR整體變大趨勢(shì)比較平緩,只是在兩端極值處出現(xiàn)較大的波動(dòng).

        對(duì)Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的21個(gè)百分位數(shù)的SR進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表2.

        圖1 Ⅰc和Ⅲc等級(jí)的SR與抗彎強(qiáng)度百分位數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relation between bending size parameter SR and strength level ofⅠc,Ⅲc

        表2 Ⅰc和Ⅲc等級(jí)21個(gè)百分位數(shù)的SR的方差分析結(jié)果Table 2 Analysis of variance of SRat percentiles of gradeⅠcandⅢc

        表2中F檢驗(yàn)結(jié)果表明,在檢驗(yàn)水平為5%時(shí),SR在百分位數(shù)間和等級(jí)間差異顯著.將對(duì)Ⅰc與Ⅲc等級(jí)的21個(gè)百分位數(shù)的SR分別進(jìn)行回歸分析.Ⅰc等級(jí)的SR與百分位值的回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3.

        表3 Ⅰc等級(jí)的SR與百分位數(shù)回歸分析結(jié)果Table 3 Regression analysis of size parameter SR at percentiles of gradeⅠc

        表3中P<0.05,表明回歸方程顯著;對(duì)斜率的t檢驗(yàn)結(jié)果:|t|<t0.05,表明斜率與零的差異不顯著,即斜率為零,截距即為Ⅰc等級(jí)的SR.

        Ⅲc等級(jí)的21個(gè)SR值與百分位數(shù)的回歸分析結(jié)果見(jiàn)表4.表4的結(jié)果表明回歸方程顯著,t檢驗(yàn)結(jié)果顯示斜率不為零,也就是說(shuō)SR不是常數(shù),不同強(qiáng)度水平對(duì)應(yīng)不同的SR值.由于規(guī)格材強(qiáng)度特征值以5%分位值為基礎(chǔ)得到,很多標(biāo)準(zhǔn)更注重5%分位值的尺寸效應(yīng)因數(shù),本文對(duì)5%~50%分位數(shù)的10個(gè)SR值作了進(jìn)一步回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表5.F檢驗(yàn)的結(jié)果表明其線(xiàn)性關(guān)系不顯著,也就是說(shuō)無(wú)論在5%~50%的強(qiáng)度水平上還是在整體強(qiáng)度水平上尺寸效應(yīng)因數(shù)都沒(méi)有趨于常數(shù)的趨勢(shì).

        表4 Ⅲc等級(jí)的SR與百分位數(shù)回歸分析結(jié)果Table 4 Regression analysis of size parameter SR at percentiles of gradeⅢc

        表5 Ⅲc等級(jí)的SR與百分位數(shù)(5%~50%)回歸分析結(jié)果Table 5 Regression analysis of size parameter SRat percentiles(5%-50%)of gradeⅢc

        根據(jù)表4結(jié)果,可將Ⅲc等級(jí)的SR與百分位數(shù)PMOR的關(guān)系表示為:

        4 與北美結(jié)構(gòu)用規(guī)格材抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)因數(shù)研究結(jié)果比較

        本文對(duì)Ⅰc和Ⅲc等級(jí)規(guī)格材抗彎強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)因數(shù)分析表明,不同等級(jí)規(guī)格材的抗彎強(qiáng)度長(zhǎng)寬比尺寸效應(yīng)因數(shù)SR之間存在差異.由加拿大木材協(xié)會(huì)(CWC)北美鋸材分等機(jī)構(gòu)(NLGA)與美國(guó)(USA)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)合作的木材性質(zhì)研究項(xiàng)目得到的規(guī)格材MOR尺寸效應(yīng)因數(shù)及本文結(jié)果列于表6.

        表6 北美與本文在結(jié)構(gòu)用規(guī)格材尺寸效應(yīng)因數(shù)上的研究結(jié)果Table 6 Results about size effect parameters of North America and this paper

        加拿大木材協(xié)會(huì)與美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)合作的木材性質(zhì)研究項(xiàng)目對(duì)3個(gè)樹(shù)種(花旗松(pseudotsuga menziesii)、北美鐵杉(tsuga canadensis)及白松(pinus strobus))的3個(gè)等級(jí)(SS,No.1,No.2)尺寸效應(yīng)因數(shù)SR(抗彎強(qiáng)度的長(zhǎng)/寬尺寸效應(yīng)因數(shù))進(jìn)行了研究,得到SR與國(guó)際木材分等協(xié)會(huì)驗(yàn)證性加載測(cè)試所得SR相近,雙方達(dá)成一致,將名義厚度為50cm的北美主要商品林規(guī)格材的SR近似取為0.4[2].

        本研究得到的抗彎強(qiáng)度Ⅰc等級(jí)的SR結(jié)果與美國(guó)和加拿大的研究結(jié)果相近,而Ⅲc等級(jí)的尺寸效應(yīng)因數(shù)則明顯不同.同時(shí),加拿大木材協(xié)會(huì)與美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)合作的木材性質(zhì)研究項(xiàng)目得到的結(jié)論是,等級(jí)與強(qiáng)度水平對(duì)規(guī)格材尺寸效應(yīng)因數(shù)的影響不顯著.NLGA對(duì)驗(yàn)證性加載測(cè)試結(jié)果的5%分位值的協(xié)方差進(jìn)行分析,結(jié)果顯示不同等級(jí)尺寸效應(yīng)因數(shù)是一致的.Madsen等發(fā)現(xiàn)4種寬度尺寸規(guī)格材的SS和No.3等級(jí)抗彎強(qiáng)度的綜合尺寸效應(yīng)因數(shù)SL值不是常數(shù)[3].Madsen[9]對(duì)鐵杉(tsuga canadensis)的抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)因數(shù)SL的研究結(jié)論為:10%分位值的SL=0.13;50%分位值的SL=0.19.Barrett等[1]認(rèn)為將不同等級(jí)的規(guī)格材混合在一起會(huì)影響強(qiáng)度尺寸效應(yīng)因數(shù).從以上分析來(lái)看,研究的著重點(diǎn)不同,導(dǎo)致研究結(jié)論不同,加拿大木材協(xié)會(huì)與美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)更側(cè)重于5%分位值強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)因數(shù),而Madsen等是研究規(guī)格材整體強(qiáng)度水平的尺寸效應(yīng)因數(shù),與本文研究對(duì)象一致,得到的結(jié)論也是一致的,即規(guī)格材抗彎強(qiáng)度尺寸效應(yīng)因數(shù)并非常數(shù),而是受等級(jí)和強(qiáng)度水平影響的.

        5 結(jié)論

        對(duì)于抗彎強(qiáng)度,Ⅰc與Ⅲc等級(jí)規(guī)格材的長(zhǎng)寬比尺寸影響因數(shù)SR整體變化趨勢(shì)比較平緩,只是在兩端極值處出現(xiàn)較大的波動(dòng);規(guī)格材等級(jí)間SR差異顯著,Ⅰc等級(jí)的SR為0.43,Ⅲc等級(jí)的SR與強(qiáng)度百分位水平之間存在線(xiàn)性關(guān)系:SR=0.27-0.09PMOR.

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