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不同测试方法对人工林杉木规格材强度性质影响的比较研究

龙超  
【摘要】: 本文以我国福建产杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为研究对象,采用北美锯材分等规则(NLGA),对杉木人工林2″×4″(45mm×90mm)规格材进行了目测分级,并根据英国标准(BS/EN 408)、中国标准(GB/T 50329)、美国标准(ASTM D4761)、国际标准(ISO 13910)进行了足尺弯曲测试,同时依据新西兰标准(NZS 4063)、国际标准、美国标准、英国标准进行了足尺顺纹拉伸测试,全面系统地开展了不同测试方法对杉木人工林规格材强度性质影响的研究。旨在为完善我国《GB/T 50329-2002木结构试验方法标准》,全面推进我国结构用规格材强度性质的测试评估体系提供科学依据。同时为建立与其他各个国家强度性质测试方法和标准之间的对等性,以促进我国木结构规格材力学性质测试标准尽快与国际要求接轨提供基础数据。本研究还将有助于拓宽杉木人工林的高附加值利用途径,改变我国结构用规格材完全依赖进口的被动局面,推动我国林业产业的健康、稳定、协调发展。 论文主要研究结果如下: 1.将北美锯材分等规则应用于北美主要人工林树种和福建杉木人工林的分等结果之间有差异,其差异主要表现为各种缺陷对于规格材降等的贡献程度不同。其中,在满足最大出材率的锯解条件下,杉木人工林规格材由于树节引起的降等约占32%,钝棱约占17%;而北美主要人工林树种规格材由于树节引起的降等约占10%,钝棱约占70%。表明杉木人工林规格材的等级产量在很大程度上取决于树节,而非钝棱。 2.根据非参数统计方法得到了杉木人工林规格材的窄面弯曲弹性模量、宽面弯曲弹性模量、窄面弯曲强度、顺纹拉伸强度特征值。将上述特征值转换为容许值表明:不同测试方法得到的各等级窄面弯曲弹性模量容许值均低于NLGA中异叶铁杉(Tsuga keterophylla)相应等级基本设计值,不同测试方法得到的各等级窄面弯曲强度和顺纹拉伸强度容许值均超过异叶铁杉相应等级基本设计值。 3.方差分析表明,不同测试方法对于杉木人工林规格材顺纹拉伸强度影响显著(Pr<0.0001),顺纹拉伸强度均值ASTM>NZS,BS>NZS,ISO>NZS(α=0.05);不同测试方法对于杉木人工林规格材窄面弯曲弹性模量和窄面弯曲强度影响不显著;不同测试方法对于杉木人工林规格材宽面弯曲弹性模量影响因不同目测等级而异,具体表现为: (1)对于精选结构等级(简称SS)而言,不同测试方法对于宽面弯曲弹性模量影响显著(Pr=0.0291),宽面弯曲弹性模量平均值BS>ISO(α=0.05); (2)对于No.1等级而言,测试方法对于宽面弯曲弹性模量影响不显著; (3)对于No.2等级而言,测试方法对于宽面弯曲弹性模量影响显著(Pr=0.0388),宽面弯曲弹性模量平均值ASTM>BS,ISO>BS(α=0.05); (4)对于No.3等级而言,测试方法对于宽面弯曲弹性模量影响显著(Pr=0.0281),宽面弯曲弹性模量平均值ASTM>BS,ASTM>GB(α=0.05)。 4.以中国标准5%~95%之间百分数平均值为基础,得到了BS、GB、ASTM、ISO四种测试方法不同等级时的弯曲性质对等关系。以国际标准5%~95%之间百分数平均值为基础,得到了NZS、ISO、ASTM、BS四种测试方法不同等级时的顺纹拉伸性质对等关系。 (1)以中国标准5%~95%百分数平均值为基础,BS得到的SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的窄面弯曲弹性模量比值依次是1.02、0.95、0.97、0.97。宽面弯曲弹性模量比值依次是1.04、0.98、0.94、1.01。窄面弯曲强度比值依次是1.02、0.92、0.82、1.18。ASTM得到的SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的窄面弯曲弹性模量比值依次是0.99、1.08、1.17、1.14。宽面弯曲弹性模量比值依次是0.99、1.08、1.16、1.20。窄面弯曲强度比值依次是1.00、1.21、1.20、1.27。ISO得到的SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的窄面弯曲弹性模量比值依次是0.97、1.12、1.12、1.14。宽面弯曲弹性模量比值依次是0.96、1.11、1.06、1.12。窄面弯曲强度比值依次是0.98、1.17、1.11、1.23。 (2)以国际标准5%~95%百分数平均值为基础,通过NZS测试方法得到SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的顺纹拉伸强度比值依次是0.82、0.96、0.85、0.92。通过ASTM测试方法得到SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的顺纹拉伸强度比值依次是0.98、1.07、0.88、0.87。通过BS测试方法得到SS等级、No.1等级、No.2等级、No.3等级的顺纹拉伸强度比值依次是0.98、1.03、1.02、0.96。 5.回归分析结果表明,杉木人工林规格材在5%~95%百分数水平下,顺纹拉伸强度(UTS)与窄面弯曲强度(MOR)符合UTS=a×MOR~b关系,决定系数介于0.8325~0.9717之间。


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