GB/T 28993-2012 结构用锯材力学性能测试方法

　　ICS 91. 080. 20 P 23

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 28993—2012

　　结构用锯材力学性能测试方法

　　Standard testmethodsformechanicalpropertiesofstructurallumber

　　2012-12-31发布 2013-06-01实施

　　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

　　GB/T 28993—2012

　　前 言

　　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/TC41/SC4)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 。

　　Ⅰ

　　GB/T 28993—2012

　　结构用锯材力学性能测试方法

　　1 范围

　　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

　　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

　　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

　　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 15 mm 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

　　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 1 min左右破坏 ,破坏时间应大于 10 s,小于10 min。应记录测试时温度 、相对湿度 、锯材含水率和锯材破坏时间 。

　　1

　　GB/T 28993—2012

　　6 测试

　　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200 mm ,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 。

　　2

　　GB/T 28993—2012

　　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 ΔF,相应引起的挠度增加量 Δe,按式(1)计算 ,准确至 10 MPa:

　　Em

　　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) ;

　　ΔF— 上 、下限荷载差 ,单位为牛顿(N) ;

　　Δe — ΔF引起的挠度 ,单位为毫米(mm) 。

　　抗弯强度按式(2)计算 ,准确至 0. 1 MPa:

　　fm …………………………( 2 )

　　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. 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 。

　　3

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　　说明 :

　　1 — 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. 1 MPa:

　　ft …………………………( 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. 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 。

　　4

　　GB/T 28993—2012

　　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+2 000 mm ,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 :

　　1 — 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 。

　　5

　　GB/T 28993—2012

　　说明 :

　　d — 试件截面厚度 ;

　　H— 试件高度 。

　　图 4 短柱顺纹抗压强度测试示意图

　　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. 1 MPa:

　　fc …………………………( 4 )

　　式中 :

　　fc,0 — 顺纹抗压强度 ,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. 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 。

　　6

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　　a) 加载示意图

　　b) 金属加载垫片

　　说明 :

　　1 — 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 3 mm。

　　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. 1 MPa:

　　fv …………………………( 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

　　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 :

　　1— 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

　　7

　　GB/T 28993—2012

　　横纹抗拉强度 ft, 90按式(6)计算 ,准确至 0. 1 MPa:

　　ft

　　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 : 为因子 ,名义拉伸强度等于边长为 800 mm 的方形锯材的强度 。

　　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 90 mm , 宽 度 为 d+ 10 mm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 20 mm , 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 。

　　单位为毫米

　　a) 加载示意图

　　b) 金属承载片尺寸

　　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 3 mm;

　　Y 轴 — 载荷 ;

　　X 轴 — 变形 ;

　　Fult — 极限荷载 ;

　　Fy — 弹性范围的直线偏移 2 mm 时与挠度曲线的交点对应荷载 ;

　　Δe — 变形差 ;

　　ΔF — 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

　　8

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　　c) 荷载与变形示意图

　　图 7 (续)

　　横纹抗压强度 fc, 90按式(7)或式(8)计算 ,准确至 0. 1 MPa:

　　fc …………………………( 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 …………………………( 8 )

　　式中 :

　　fc, 90— 横纹抗压强度 ,单位为兆帕(MPa) ;

　　F20 — 变形总量达到 20 mm 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. 1 MPa:

　　fc, 90y …………………………( 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 2 mm 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 10 MPa:

　　Kc …………………………( 10 )

　　式中 :

　　Kc, 90 — 横纹抗压弹性模量 ,单位为兆帕(MPa) ;

　　ΔF/Δe — 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

　　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 500 mm。

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　　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 10 MPa:

　　Gt … … … … … … … … … …

　　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) ;

　　ΔF/Δθ— 荷载-扭转角度曲线的斜率 ,单位为牛顿每度[N/(°)] 。

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　　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. 1 MPa:

　　fv …………………………( 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。

　　a) 加载示意图

　　b) 金属垫片

　　说明 :

　　1 — 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 3 mm。

　　图 A. 1 顺纹抗剪强度双跨测试示意图