三、木材密度木材的密度是指木材单位体积的质量，通常分为气干密度、全干密度和基本密度三种。气干密度pw按下式计算：mmPwVw(2.6)式中：pw-一木材的气干密度，以g/mm计：mw-一木材气干时的质量，以g计：Vw-一木材气干时的体积，以mm计。全干密度po按下式计算moPo=N。(2.7)式中：po——木材的全干密度,以g/mm计；一木材全干时的质量，以计：moVo一一木材全干时的体积，以mm计。基本密度py按下式计算moPr=Vmx (2.8)木材的基本密度,以g/mm计：式中：PY-Vmax一木材饱和水分时的体积，mm计。基本密度为实验室中判断材性的依据，其数值比较固定、准确。气干密度则为生产上计算木材气于时质量的依据。密度随木材的种类而有不同，是衡量木材力学强度的重要指标之一。一般说来，密度大的，力学强度亦大，密度小的，力学强度亦小。1-弓形收缩后成橄榄核形：2、3、4一瓦形反翘：5一两头缩小成纺锤形：6一圆形收缩后成椭圆形：7一方形收缩后成菱形：8一正方形收缩后成矩形、9一长方形收缩后成瓦形：10一长方形收缩后成不规则状态：11一长方形收缩后成矩形。图1.11木材变形四、木材的变形和开裂木材含水率变化时，会引起木材的不均匀收缩，致使木材产生变形。由于木材在径向和在弦向的干缩有差异以及木材截面各边与年轮所成的角度不同而发生不同形状的变化，如图-11-
- 11 - 三、木材密度 木材的密度是指木材单位体积的质量，通常分为气干密度、全干密度和基本密度三种。 气干密度 ρw 按下式计算： （2.6） 式中：ρ w—— 木材的气干密度，以 g/mm3 计； mw—— 木材气干时的质量，以 g 计； Vw—— 木材气干时的体积，以 mm 3 计。 全干密度ρ 0 按下式计算 （2.7） 式中: ρ 0—— 木材的全干密度,以 g/mm3 计； m0—— 木材全干时的质量，以 g 计； V0—— 木材全干时的体积，以 mm 3 计。 基本密度ρ Y按下式计算: （2.8） 式中：ρY—— 木材的基本密度,以 g/mm3 计； Vmax—— 木材饱和水分时的体积，mm 3 计。 基本密度为实验室中判断材性的依据，其数值比较固定、准确。气干密度则为生产上计 算木材气干时质量的依据。密度随木材的种类而有不同，是衡量木材力学强度的重要指标之 一。一般说来，密度大的，力学强度亦大，密度小的，力学强度亦小。 1－弓形收缩后成橄榄核形；2、3、4－瓦形反翘；5－两头缩小成纺锤形； 6－圆形收缩后成椭圆形；7－方形收缩后成菱形；8－正方形收缩后成矩形、 9－长方形收缩后成瓦形；10－长方形收缩后成不规则状态；11－长方形收缩后成矩形。 图 1.11 木材变形 四、木材的变形和开裂 木材含水率变化时，会引起木材的不均匀收缩，致使木材产生变形。由于木材在径向和 在弦向的干缩有差异以及木材截面各边与年轮所成的角度不同而发生不同形状的变化，如图
1.11所示。锯成的板材总是背着髓心向上翘曲的。木材发生开裂的主要原因是，由于木材沿径向和沿弦向干缩的差异以及木材表层和里层水分蒸发速度的不均匀，使木材在干燥过程中因变形不协调而产生横木纹方向的撕拉应力超过了木材细胞间的结合力所致。根据云南松和落叶松的使用经验，方木和原木裂缝的位置与髓心的位置有密切关系，一般具有下列规律性：1）凡具有髓心的方木和板材，一般开裂严重，无髓心的开裂较轻微：2）在具有髓心的方木和原木中，裂缝的开口位置一般发生在距离髓心最近的材面上；3）原木的裂缝一般总是朝向髓心，当木材构造均匀时，裂缝多而细；构造不均匀时，则裂缝少而粗；4）原木或具有髓心的方木中存在扭转纹时，裂缝会沿扭转纹而发展成为斜裂。方木和原木的裂缝位置大致如图1.12所示。图1.12方木和原木的裂缝位置另外，木材在物理力学性质方面都具有特别显著的各向异性。顺木纹受力强度最高，横木纹最低，斜木纹介于两者之间。未材的强度还与取材部位有关，例如树干的根部与梢部、心材与边材、向阳面与背阳面等都有显著的差异。此外，无疵病的清材与有疵病（木节、斜纹、裂缝等）的木材之间差异更大。本节所述的木材力学性质，只涉及清材（没有疵病的）标准小试件按专门试验方法确定的力学指标。由此，木材的力学性质为，一、木材顺纹受压、受拉、受剪和静力弯曲强度按照现行国家标准《木材物理力学试验方法》进行试验的、标准小试件破坏时的应力，在本节中称为木材的强度。木材顺纹受压、受拉、受剪和静力弯曲强度在附录四表中列出。木材受拉、受剪、在极小的相对变形下突然发生破坏的性质称为具有脆性破坏性质：相反，木材受压、受弯破坏前具有较大的、不可恢复的塑性变形性质。木材顺纹受压强度比受拉低。木材受弯强度则介于二者之间，并一般符合下列关系：34-1正fs正+1fe(2.9)式中fs、J、分别为清材标准小试件的顺纹受拉、顺纹受压及受弯强度。二、木材受拉、受压、受剪及弯曲弹性模量木材的弹性模量与树种、木材密度和含水率等因素有关，木材顺纹受压和顺纹受拉弹性模量基本相等，部分树种的试验数值列于表1.1。木材横纹弹性模量分为径向Er和切向ET他们与木材顺纹弹性模量EL的比值随木材的树种不同而不同。当缺乏试验数据时，可近似取为：E/EL~0.05，ER/EL~0.1。各树种木材的顺纹弹性模量E可由表1.1查得，当缺乏试验数据时，可近似地按附录四中该树种木材的静力弯曲弹性模量的数值提高10%作为EL。-12 -
- 12 - 1.11 所示。锯成的板材总是背着髓心向上翘曲的。 木材发生开裂的主要原因是，由于木材沿径向和沿弦向干缩的差异以及木材表层和里层 水分蒸发速度的不均匀，使木材在干燥过程中因变形不协调而产生横木纹方向的撕拉应力超 过了木材细胞间的结合力所致。根据云南松和落叶松的使用经验，方木和原木裂缝的位置与 髓心的位置有密切关系，一般具有下列规律性： 1）凡具有髓心的方木和板材，一般开裂严重，无髓心的开裂较轻微； 2）在具有髓心的方木和原木中，裂缝的开口位置一般发生在距离髓心最近的材面上； 3）原木的裂缝一般总是朝向髓心，当木材构造均匀时，裂缝多而细；构造不均匀时， 则裂缝少而粗； 4）原木或具有髓心的方木中存在扭转纹时，裂缝会沿扭转纹而发展成为斜裂。 方木和原木的裂缝位置大致如图 1.12 所示。 图 1.12 方木和原木的裂缝位置 另外，木材在物理力学性质方面都具有特别显著的各向异性。顺木纹受力强度最高，横 木纹最低，斜木纹介于两者之间。木材的强度还与取材部位有关，例如树干的根部与梢部、 心材与边材、向阳面与背阳面等都有显著的差异。此外，无疵病的清材与有疵病（木节、斜 纹、裂缝等）的木材之间差异更大。本节所述的木材力学性质，只涉及清材（没有疵病的） 标准小试件按专门试验方法确定的力学指标。由此，木材的力学性质为， 一、木材顺纹受压、受拉、受剪和静力弯曲强度 按照现行国家标准《木材物理力学试验方法》进行试验的、标准小试件破坏时的应力， 在本节中称为木材的强度。木材顺纹受压、受拉、受剪和静力弯曲强度在附录四表中列出。 木材受拉、受剪、在极小的相对变形下突然发生破坏的性质称为具有脆性破坏性质；相反， 木材受压、受弯破坏前具有较大的、不可恢复的塑性变形性质。木材顺纹受压强度比受拉低。 木材受弯强度则介于二者之间，并一般符合下列关系： （2.9） 式中 ft s、f c s、fm s 分别为清材标准小试件的顺纹受拉、顺纹受压及受弯强度。 二、木材受拉、受压、受剪及弯曲弹性模量 木材的弹性模量与树种、木材密度和含水率等因素有关，木材顺纹受压和顺纹受拉弹性 模量基本相等，部分树种的试验数值列于表 1.1。木材横纹弹性模量分为径向 ER和切向 ET， 他们与木材顺纹弹性模量 EL 的比值随木材的树种不同而不同。当缺乏试验数据时，可近似 取为：ET/EL≈0.05 ， ER/EL≈0.1。 各树种木材的顺纹弹性模量 EL 可由表 1.1 查得，当缺乏试验数据时，可近似地按附录 四中该树种木材的静力弯曲弹性模量的数值提高 10％作为 EL
表1.1木材顺纹受拉和受压的弹性模量弹性模量E(*10'MPa)树种产地顺纹受拉顺纹受压10.711.4奥冷杉东北长白山落叶松东北小兴安岭16.914.714.2鱼鳞云杉东北长白山11.0红皮云杉东北长白山12.29.5红松东北10.2马尾松广西10.6樟子松12.3东北杉木广西10.7木荷福建12.812.3拟赤杨福建9.49.4木材受剪弹性模量G（也称剪变模量），随产生剪切变形的方向不同而不同：GLT表示变形产生在纵向和切向所组成的平面上的剪切模量：GLR表示变形产生在纵向和径向所组成的面上的剪变模量：GRT表示变形产生在径向和切向所组成的面上的剪变模量。木材的剪切模量随树种、密度的不同而有差异。部分树种的试验数据列于表2.4.2。木材受剪弹性模量G（也称剪变模量），随产生剪切变形的方向不同而不同：GLT表示变形产生在纵向和切向所组成的平面上的剪切模量；GLR表示变形产生在纵向和径向所组成的面上的剪变模量；GRT表示变形产生在径向和切向所组成的面上的剪变模量。木材的剪切模量随树种、密度的不同而有差异。部分树种的试验数据列于表1.2。表1.2部分树种木材的剪切模量剪切模量（X10°MPa）树种GurGuR1.2172红皮云杉0.6307红松0.28660.7543马尾松0.97391.1705杉木0.29670.5348山杨0.18270.90010.9976白桦1.9310作标1.21522.3795水曲柳0.84391.4783注：本表揭自中国林业科学研究报告“本材剪变模量的初步研究”，1964年。当缺乏试验数据时，木材的剪变模量与顺纹弹性模量E的相对比值可近似地取为：GL/EL~0.06;GRI/EL~0.018:GLR/EL~0.075。三、木材顺纹受剪性质木材顺纹受剪具有下列性质：1）木材受剪破坏是突然发生的，具有脆性破坏的性质。在剪切破坏前，应力与应变之间的关系一般符合正交三向异性材料的弹性变形规律。2）根据单齿（hc/h=1/3）剪切的电算应力分析和试验表明，沿剪切面上剪切应力的分布是不均匀的。剪切面上的平均剪切应力值t与最大剪切应力值x之间的关系见表1.3。-13-
- 13 - 木材受剪弹性模量 G（也称剪变模量），随产生剪切变形的方向不同而不同；GLT 表示 变形产生在纵向和切向所组成的平面上的剪切模量；GLR表示变形产生在纵向和径向所组成 的面上的剪变模量；GRT表示变形产生在径向和切向所组成的面上的剪变模量。木材的剪切 模量随树种、密度的不同而有差异。部分树种的试验数据列于表 2.4.2。木材受剪弹性模量 G（也称剪变模量），随产生剪切变形的方向不同而不同；GLT表示变形产生在纵向和切向所 组成的平面上的剪切模量；GLR 表示变形产生在纵向和径向所组成的面上的剪变模量；GRT 表示变形产生在径向和切向所组成的面上的剪变模量。 木材的剪切模量随树种、密度的不同而有差异。部分树种的试验数据列于表 1.2。 当缺乏试验数据时，木材的剪变模量与顺纹弹性模量 EL 的相对比值可近似地取为： GLT/EL≈0.06；GRT/EL≈0.018；GLR/EL≈0.075。 三、木材顺纹受剪性质 木材顺纹受剪具有下列性质： 1）木材受剪破坏是突然发生的，具有脆性破坏的性质。在剪切破坏前，应力与应变之 间的关系一般符合正交三向异性材料的弹性变形规律。 2）根据单齿（hc/h=1/3）剪切的电算应力分析和试验表明，沿剪切面上剪切应力的分 布是不均匀的。剪切面上的平均剪切应力值 τ 与最大剪切应力值τ max之间的关系见表 1.3
表1.3平均剪压力t与最大剪应力Tmx关系56[7I,/hc0.6080.5200.445t/tmax3）剪切面上剪切应力txy的分布状态，随构件的几何尺寸（lv、hc、h）及木材的弹性模量而不同。根据鱼鳞云杉、hc/h=1/3、hc=60mm，对不同lv的单齿剪切电算结果表示如图1.13。由图可见，tmax大约发生在距下弦净截面（图中纵向轴线）的5/6hc处；当剪面长度Iv增大时，tmax降低甚微，但txy的分布状态随之而不同，直到iv增加到9hc以上时，txy的分布状态几乎不再改变。虽然试件的剪面长度Iv实际上大于9hc，但txy仅分布在9hc的长度以内，故9h.这一剪面长度称为应力分布的最大长度或有效剪切长度。0.005e50.004=6,9,12, 158.94N0.0030.0020.0019,12,15he0.00100300200400r6T6i345图1.13剪切应力T沿剪面的分布状态4）刻齿深度hc与构件截面高度h的比值愈大，则木材平均剪切应力与最大剪切应力Tmax的比值愈低。因此，减小刻槽深度可以提高木材的平均剪切强度（表1.4)。表1.4刻齿深度对木材平均剪切强度的影响helh1/31/41/61/s0.2750.3130.3400.350T/tas1.001.141.241.2相对值注：表中“相对值”系以hc一h/3、lhc=12时的平均剪切强度作为100%。5）受剪面上的着力点处有横向压紧力时，平均剪切强度较高：无横向压紧力时，由于产生横纹撕裂现象引起平均剪切强度降低。四、木材横纹承压的性质本材横纹承压的特点是受力时变形较大、无明显的破坏特征，直到本材被压至很密实之后，荷载还可继续增加而无法确定其最终的破坏值。因此，一般取比例极限值作为木材横纹承压的强度指标（附录四表中第14一17栏）。木材横纹承压（图1.14）分为全表面承压和局部表面承压。其强度大小决定于承压面的长度la和非抵承面的自由长度Ic的比值：当=0时，即为全表面承压，此时强度最低；当=1且la等于或小于试件高度h时，则为局部承压，此时强度最高；若比值lc/la再增加，强度几乎保持不变。此外，当承压面位于试件的一端且承压长度a为试件长度1的1/3时，木材横纹承压比例极限介于局部表面承压和全表面承压之间，一般可取二者的平均值。-14 -
- 14 - 表 1.3 平均剪压力 τ 与最大剪应力τ max关系 lv／hC 5 6 7 τ /τmax 0.608 0.520 0.445 3）剪切面上剪切应力 τxy 的分布状态，随构件的几何尺寸（lv、hc、h）及木材的弹性 模量而不同。根据鱼鳞云杉、hc／h=1／3、hc＝60mm，对不同 lv 的单齿剪切电算结果表示 如图 1.13。由图可见，τmax 大约发生在距下弦净截面（图中纵向轴线）的 5/6 hc 处；当剪 面长度 lv 增大时，τmax 降低甚微，但 τxy 的分布状态随之而不同，直到 lv 增加到 9hc 以上 时，τxy 的分布状态几乎不再改变。虽然试件的剪面长度 lv 实际上大于 9hc，但 τxy 仅分布 在 9hc 的长度以内，故 9hc这一剪面长度称为应力分布的最大长度或有效剪切长度。 4）刻齿深度 hc 与构件截面高度 h 的比值愈大，则木材平均剪切应力τ 与最大剪切应 力τ max 的比值愈低。因此，减小刻槽深度可以提高木材的平均剪切强度（表 1.4）。 5）受剪面上的着力点处有横向压紧力时，平均剪切强度较高；无横向压紧力时，由于 产生横纹撕裂现象引起平均剪切强度降低。 四、木材横纹承压的性质 木材横纹承压的特点是受力时变形较大、无明显的破坏特征，直到木材被压至很密实之 后，荷载还可继续增加而无法确定其最终的破坏值。因此，一般取比例极限值作为木材横纹 承压的强度指标（附录四表中第 14－17 栏）。 木材横纹承压（图 1.14）分为全表面承压和局部表面承压。其强度大小决定于承压面的 长度 la 和非抵承面的自由长度 lc 的比值：当＝0 时，即为全表面承压，此时强度最低；当 ＝1 且 la 等于或小于试件高度 h 时，则为局部承压，此时强度最高；若比值 lc／la 再增加， 强度几乎保持不变。此外，当承压面位于试件的一端且承压长度 la 为试件长度 l的 1／3 时， 木材横纹承压比例极限介于局部表面承压和全表面承压之间，一般可取二者的平均值。 图 1.13 剪切应力τ xy沿剪面的分布状态
图1.14木材横纹承压五、含水率对木材强度的影响木材含水率在纤维饱和点以下时，含水率愈高则强度愈低。木材顺纹受拉、受压、受弯及横纹承压，可按下列公式将试件含水率为W%时的强度fw换算成含水率为12%时的强度Ji2；木材的弹性模量、顺纹受剪等都具有类似性质，亦按公式1.10进行换算。f12-fw[1+a(w-12)](1.10)式中：W一试验时试件的含水率（%），一般在9一15%范围内：含水率换算系数，按表1.5采用。a-表1.5含水率换算系数α公式（2.4.2）中代替公式（2.4.2）中代替受力性质适用树种α值后的符号万的符号顺纹受压强度ffa0.05一切树种弯曲强度fu0.04一切树种fan2弯曲弹性模量0.015一切树种EuEv一切树种顺纹受剪强度fmJu0.03顺纹受拉强度和0.015闵叶树Ja横纹全表面承压比例极限值feo.1feot0.045一切树种feoow0.045一切树种横纹局部表面承压比例极限值feo0.2Ea切树种横纹承压弹性模量Eenn0.055六、温度对木材强度的影响1）温度愈高，则木材的强度愈低。强度降低的程度与木材的含水率、温度值及其延续作用的时间等因素有关。2）当温度不延续作用时，木材受热的温度不致改变其化学成分的条件（例如通常的气候条件），当温度降低时木材还能恢复其原来的强度。3）气干材受温度为66℃延续作用一年或一年以上时，其强度降低到一定程度后即不会再降低，但当温度降低到正常温度时，其强度也不会再恢复。4）当温度达到100℃以上时，木材才会开始分解为组成他的化学元素（碳、氢和氮）。当温度在40～60℃长期作用时，也会产生缓慢的碳化，促使木材的化学成分逐渐改变。5）含水率较大的本材在高温作用下其强度的降低也较大，特别在高温作用的头2～4昼夜时间内，强度的降低格外显著。6）当温度长期作用时，木构件的所有部分将会获得与他和环境相同的温度。但是在通常气温条件下（例如在房屋中），木材周围的空气温度随季节不同而变动颇大。因此，木构件的温度不一定能达到周围空气的最高温度木材的温度和含水率对木材（松木）顺纹受压强度的影响列于表1.6。-15-
- 15 - 五、含水率对木材强度的影响 木材含水率在纤维饱和点以下时，含水率愈高则强度愈低。木材顺纹受拉、受压、受弯 及横纹承压，可按下列公式将试件含水率为 W％时的强度 fw 换算成含水率为 12％时的强度 f 12；木材的弹性模量、顺纹受剪等都具有类似性质，亦按公式 1.10 进行换算。 f12=fw[1+a(w-12)] (1.10) 式中：W—— 试验时试件的含水率（％），一般在 9－15％范围内； a—— 含水率换算系数，按表 1.5 采用。 六、温度对木材强度的影响 1） 温度愈高，则木材的强度愈低。强度降低的程度与木材的含水率、温度值及其延续 作用的时间等因素有关。 2） 当温度不延续作用时，木材受热的温度不致改变其化学成分的条件（例如通常的气 候条件），当温度降低时木材还能恢复其原来的强度。 3） 气干材受温度为 66℃延续作用一年或一年以上时，其强度降低到一定程度后即不 会再降低，但当温度降低到正常温度时，其强度也不会再恢复。 4） 当温度达到 100℃以上时，木材才会开始分解为组成他的化学元素（碳、氢和氮）。 当温度在 40～60℃长期作用时，也会产生缓慢的碳化，促使木材的化学成分逐渐改变。 5） 含水率较大的木材在高温作用下其强度的降低也较大，特别在高温作用的头 2～4 昼夜时间内，强度的降低格外显著。 6） 当温度长期作用时，木构件的所有部分将会获得与他和环境相同的温度。但是在通 常气温条件下（例如在房屋中），木材周围的空气温度随季节不同而变动颇大。因此，木构 件的温度不一定能达到周围空气的最高温度。 木材的温度和含水率对木材（松木）顺纹受压强度的影响列于表 1.6