孔对落叶松板材抗弯性能的影响

谢力生，伍家华,，刘佳权，陶 钧，刘嘉诚

（1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳 518055）

近年，我国木结构建筑正在悄然兴起，木结构横梁（包括实木梁、胶合木梁和I 型复合木梁等）上能否开孔（以便电线、信号线和冷、热水等管道从中通行），引起了人们的关注。国外学者对含孔木梁[1]、沿腹板（OSB）不同间距开孔的复合梁[2]、腹板开圆孔的木结构I 型搁栅[3]、开孔木结构实木梁[4]、开孔LVL 梁[5]和腹板开孔的I 型松木LVL 梁[6]等进行过研究。国内有学者对腹板开洞竹木工字梁[7]、胶合木T 梁[8]和开孔洞单板层积材搁栅[9-10]受力性能进行过研究，目前还处于起步阶段。国内外对木结构横梁开孔的研究都还不多，特别是针对实木梁、胶合木梁的研究还很少。为此，笔者以国内蓄积量较多的优质木结构用材——兴安落叶松为研究对象，选其无缺陷板材进行打孔，探求孔的大小与位置对其抗弯性能的影响规律，为今后足尺木梁及胶合木梁的相关研究做准备，同时期待能起到抛砖引玉的作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

兴安落叶松Larix gmelinii板材：购于广州鱼珠木材市场，含水率12%，密度0.55 g/cm3，长×宽×厚为4 020 mm×150 mm×35 mm，年轮宽度为0.5～2.0 mm，树龄约为70 a。

1.2 仪器设备

木工裁板锯，型号MJ-90，新宇木工机械厂生产；木工压刨床，型号MB-203，和风机械有限公司生产；5 t 万能力学试验机，型号MWD-50，济南试金集团有限公司制造；台式钻床，型号Z512B，浙江西菱股份有限公司制造；快无双系列木工钻头，型号K5+型，刃径4、6、8、10、12 mm，成都市壹佰刀具有限公司制造。

1.3 试验方法

从落叶松锯材中选择无木节和其他缺陷的部分，通过木工圆锯机和木工刨床加工成长×宽×厚为500 mm×50 mm×20 mm和700 mm×50 mm×30 mm 的试件各237 个和10 个。

从厚度为20 mm 的试件中任选67 个用于直接测试其弹性模量和静曲强度，以求取落叶松试件在打孔前的弹性模量与静曲强度的关系数学模型，以便通过弹性模量预测打孔试件在打孔前的静曲强度。按照GB/T 26899—2011《结构用集成材》中5.3.2.2 抗弯试验方法B（由于落叶松较软，易在加载点处产生局部压折破坏，故在加载点处放置了规格为50 mm×50 mm×5 mm 铁块，下同）测试试件的弹性模量和静曲强度，然后对数据进行处理、分析，建立数学模型。

其余试件先采用同前的抗弯试验方法（荷载只加到1 200 N，约为破坏荷载的3/7，试件处于完全弹性变形阶段）测试其弹性模量，做好记录和标记，并根据前面建立的数学模型推算各试件的静曲强度值；然后对试件进行钻孔，孔径与位置如图1和表1所示。表1和图1中的D为孔径，a为孔的中心点到试件下表面的距离，A为孔的上象限点到试件下表面的距离，l为孔的中心点到试件加载点的水平距离，L为试件加载点到支承点的水平距离，H为试件厚度。每组试件各10 个，18 组，共180 个。

表1 孔径与位置Table 1 Diameter and position of hole

图1 试样、孔径与位置示意Fig.1 Schematic diagram of specimen,aperture and position

按照GB/T 26899—2011 中同样的方法，对打孔后的试件进行弹性模量和静曲强度测试，对比、分析各试件打孔前后的静曲强度和弹性模量，探讨孔径和位置对落叶松试件抗弯性能的影响规律。

2 结果与分析

2.1 落叶松试件静曲强度与弹性模量的关系

根据67 个试件所测得的弹性模量和静曲强度值，可以得到如图2所示的落叶松试件其静曲强度与弹性模量的关系图。

图2 静曲强度与弹性模量的关系Fig.2 Relationship between MOR and MOE

该结果和落叶松足尺材的静曲强度与弹性模量的关系研究[11]所得出的结果相一致，且具有更高的相关系数（R2=0.636 1）。式（1）将用于后续打孔试件之打孔前的静曲强度的预测。

2.2 孔径对静曲强度的影响

按照表1钻孔的落叶松试件，钻孔前、后的弹性模量和静曲强度值如表2所示。其中，MOEc和MORc为实测值，MORy由钻孔前试件所测试的弹性模量值MOE 根据式（1）计算所得，即预测值。由表2可以看出，各组试件钻孔前的弹性模量和静曲强度值并不相等，都存在一定的差值（变异系数），这是由于各试件取自不同板材或不同部位，其材性存在差异所致。因此，若以各组试件钻孔前、后的静曲强度的绝对差值来进行比较、分析，显然是不合适的。为此，引入弹性模量削弱率ε和强度削弱率β。

由表2中2 和11～13 组的数据按式（2）～（3）计算所得到的弹性模量削弱率ε和静曲强度削弱率β值，可以绘制出图3所示孔与试件下表面相切时孔厚比与弹性模量削弱率和静曲强度削弱率的关系图。

表2 试件钻孔前后的弹性模量和静曲强度值Table 2 MOE and MOR before and afterdrilling of the specimen

由图3可以看出，在孔与试件下表面相切的条件下，试件的静曲强度削弱率受孔径的影响很大，随着径厚比（D/H）的增大其强度削弱率呈直线递增。径厚比由0.2 增大到0.5 时，静曲强度削弱率由38.84%增大到82.08%。由材料力学可知，简支梁受弯时其下表层（抗拉侧）的拉应力最大，其抗拉强度对梁的抗弯强度影响最大，在试件下表层打孔（孔与下表面相切），破坏了抗拉层的连续性，相当于减小了试件的抗弯截面积，因此其径厚比（D/H）对试件的静曲强度削弱率影响很大。在LVL 搁栅上开孔的研究[9-10]表明：孔洞严重影响其承重能力，且随着孔径的增大，承载能力削弱程度增大。与本研究的结果一致。

图3 不同孔径的MOE 和MOR 削弱率Fig.3 MOE and MOR weakening rate of different apertures

由图3可见，试件的弹性模量削弱率与静曲强度削弱率具有相同的趋势，即随着径厚比（D/H）的增大而增大，但其影响程度要小得多。径厚比为0.2 时，其弹性模量削弱率仅5.70%；径厚比为0.5 时，其弹性模量削弱率增加至59.58%。这是由于缺陷（孔）的大小和位置对弹性模量的影响远小于对静曲强度的影响[11-12]。

2.3 厚度方向上孔的位置对静曲强度的影响

由表2中1～10 组的数据按式（2）～（3）计算所得到的弹性模量削弱率ε和静曲强度削弱率β值，可以绘制出图4所示径厚比（D/H）为0.2时厚度方向孔的位置与静曲强度削弱率和弹性模量削弱率的关系图。

由图4可以看出，静曲强度削弱率最大发生在孔与试件下表面和上表面相切的第2 组和第9 组试件，孔厚比（D/H）为0.2 时，静曲强度削弱率（平均值）分别达38.84%和27.02%，这是由于对于抗弯试件其静曲强度主要取决于下表层的抗拉强度或上表层的抗压强度，当孔与下表面或上表面相切时，表层抗拉或抗压层纤维连续性破坏的深度最大，因而其静曲强度削弱最大；第1 组和第10 组试件，为半孔在试件的下表面和上表面，与第2 组和第9组相比其孔减小了一半，故静曲强度削弱率也相应减小，分别为21.55%和7.99%；孔位于试件厚度中心层下方且与之相切的第4 组试件的静曲强度削弱率最小，仅为0.85%，几乎没有影响，这是由于试件抗弯时其中心层的纤维所受到的拉力或压力很小，故中心层的孔对静曲强度的影响很小；而孔中心位于厚度中心层的第5 组试件，其静曲强度削弱率稍有增大，为2.83%；第6 组和第8 组分别与第4 组和第3 组上、下对称，而孔位于上方的第6 组和第8 组的静曲强度削弱率比孔位于下方的第4 组和第3 组大，这主要是由于位于上方的孔在弯曲过程中会产生较大的变形而在孔的上、下象限处产生较大的应力集中的缘故。

一般说来，城市发展进程中的利益结构有三种形式：一是主导者与职能单位的关系，即一方(主导者)雇佣另一方(职能单位)或以承包方式使其承担某种项目；二是，组织之间的谈判协商关系，指多个组织进行谈判协商，利用各自的资源进行合作以求能更好地实现各自单位的利益；三是系统的协作，指各个组织相互了解，结合为一，有着共同的想法，通力合作，从而建立起一种自我管理的网络(格里•斯托克，1999)。在城市更新中前两种关系普遍存在，但是系统合作的关系还在探索与发展之中。依据西方城市更新的经验，城市政府与开发商、房地产商的之间密切合作是城市更新顺利进行的重要保障，也是国内城市更新中值得重点关注的领域。

图4 厚度方向的孔所产生的MOE 和MOR 削弱率Fig.4 MOE and MOR weakening rate produced by holes in the thickness direction

由图4可见，试件的弹性模量削弱率与静曲强度削弱率基本上具有相同的趋势，但其影响程度较小。径厚比为0.2 时，其弹性模量削弱率最小（第5 组）仅0.51%，最大（第9 组）也不超过16.26%。这是由于缺陷（孔）的大小和位置对弹性模量的影响远小于对静曲强度的影响[11-12]，特别是孔的位置对静曲强度的影响很大，而对弹性模量的影响不敏感。

2.4 长度方向上孔的位置对静曲强度的影响

由表2中2 和14～18 组的数据按式（2）～（3）计算所得到的弹性模量削弱率ε和静曲强度削弱率β值，可以绘制出图5所示试件长度方向的孔（与下表面相切）其位置与静曲强度削弱率和弹性模量削弱率的关系图。

由图5可知，总体而言，随着孔偏离加载点的水平距离的增大，试件的静曲强度削弱率减小。当孔位于支承点到加载点的中间位置（l/L=0.5）时，试件的静曲强度削弱率下降为21.44%，相比孔在加载点位置时的38.84%，下降了45%。可以看到，孔偏离加载点的距离l在25mm 以内时，试件的静曲强度削弱率随l的增大而有所增大，这是由于在加载点位置放置有长度为50 mm 铁块的缘故：试件受弯时铁块边缘部位（l=25 mm 位置）对试件的作用力比中心部位更大，且易产生应力集中现象。可以推测：若加载点下面没有放置铁块，试件的静曲强度削弱率将随着孔偏离加载点的水平距离的增大而减小。

图5 长度方向的孔所产生的MOE 和MOR 削弱率Fig.5 MOE and MOR weakening rate producedby holes in the longness direction

由图5可见，试件的弹性模量削弱率与静曲强度削弱率具有相同的趋势，但其影响程度要小得多。径厚比为0.2 时，其弹性模量削弱率不超过11.81%。其原因在前面已有叙述，主要是孔的位置对静曲强度很敏锐，而对弹性模量不太敏感[11-12]。

2.5 钻孔试件静曲强度与弹性模量的关系

按照表1钻孔的落叶松试件180 块，由所测得的弹性模量和静曲强度值，可以得到如图6所示的静曲强度与弹性模量的关系图。

图6 钻孔后静曲强度与弹性模量的关系Fig.6 Relationship between MOR and MOE of after drilling

由图6可以看出，钻孔后的落叶松试件其静曲强度值总体上仍然与其弹性模量呈大致的线性关系，具有随其弹性模量增大而增大的趋势。但弹性模量所对应的静曲强度值具有很大的离散性，如弹性模量为14 GPa 附近的试件所对应的静曲强度值在约47～122 MPa 范围，最大值约为最小值的2.6 倍。这是由于缺陷（孔）的大小和位置对静曲强度的影响远大于对弹性模量的影响[11-12]，这在图3～5 中也可以明显看出。因此，钻孔后的落叶松板材其静曲强度不适合通过测定其弹性模量来推测。

3 结论与讨论

3.1 结 论

通过测试无缺陷兴安落叶松试件打孔前、后的弹性模量，预测打孔前的静曲强度，并测试打孔后的静曲强度，获得了孔所引起的静曲强度削弱率和弹性模量削弱率及其影响规律。结论如下：

1）孔径对板材静曲强度的影响很大，随着径厚比的增大，静曲强度削弱率呈直线递增。

2）处于板面的半孔，对板材静曲强度的削弱也较大，且受拉侧的影响更大。

3）对于板材厚度方向，孔越靠近板面其静曲强度削弱率越大，且受压侧的强度削弱率大于受拉侧；孔与板面相切时其静曲强度削弱率最大，且孔位于受拉侧时更大；孔位于中心层稍偏下时其静曲强度削弱率最小。

4）对于板材长度方向，孔位于加载点下方时的静曲强度削弱率最大。随着孔远离加载点其静曲强度削弱率减小。

5）孔对板材弹性模量的影响规律基本上与对静曲强度的影响相同，但其影响程度远不及对静曲强度的影响。当径厚比为1/5 时，其弹性模量削弱率最大不超过12%。

6）钻孔板材的静曲强度不适合通过其弹性模量来推测。

3.2 讨 论

本研究的局限性有：一是试验所用的试件虽然无明显缺陷，但没有充分考虑试件加载面与年轮的角度（径切、弦切或某一角度），也没有对试件进行机械应力分级，造成组内测试数据的离散度较大，影响数据的准确性和可靠性；二是所用试件为厚度（加载方向）较小的兴安落叶松板材，而实际的木梁是高度（加载方向）很大、并带有一定缺陷（如节子）的足尺材，无缺陷小试件的试验结果不能完全反映足尺材的情况。因此，下一步的研究，对于无缺陷小试件，要先对所有试件进行机械应力分级，并充分考虑试件加载面与年轮的角度，考察试件等级和加载方向与年轮夹度等对试验结果的影响；另一方面，要开展足尺木梁的验证性试验，验证本研究结果与结论的可靠性和正确性，使试验数据更具有应用价值。