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木材榫卯结构力学分析

作者: 更新时间:2020/9/21 9:51:34

    木材是非均质的、各向异性的材料,树干包括许多同心圆的年轮层次,这赋予木材圆柱对称性。这种对称性体现在木材的许多物理性质上,例如弹性、强度、热传导性能等。早在1928年,普赖斯(Price)就把正交对称原理应用于木材,借以说明木材材性的各向异性。根据树干的解剖构造,它有圆柱对称性。在远离髓心的一定位置取一个小块矩形试件,要求其有一对材面切于年轮,于是这个试件就有三个对称轴:平行于纵向的L轴、平行径向的R轴和平行于弦向的T轴。这三个轴大致是相互垂直的。但这三个方向的弹性常数不同。虽然径向轴在木材中是发散的,而不是平行的,并且L--T面也不是完全的平面,而是略似圆柱面。但经常仍然可以把这三个轴当作相互垂直的弹性对称轴,这样就把正交对称原理引入到了木材上。


力学结构图


( L一纵向;RT一横切面;R一径向;LR一径切面:T一弦向:LT一弦切面)

    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差异。此外,无疵病的清材与有疵病(木栉、斜纹、裂缝等)的木材之间差异更大。本文仅讨论清材的力学性质。


    木材受拉、受剪时,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、受弯破坏时,具有较大的不可恢复的塑性变形性质。木材顺纹受力时,受压强度比受拉强度低。木材受弯强度介于两者之间,并一般符合下列关系:

木材受力计算公式

F分别为清材标准小试件的顺纹受拉、顺纹受压及受弯强度。


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)单齿剪切的电算应力分析和实验表明:沿剪切面上剪切应力的分布是不均匀的。

    (3)剪切面剪切应力的分布状态随构件的几何尺寸及木材的弹性模量而不同,根据鱼鳞云杉、对不同的单齿剪切电算结果表明:虽然试件的剪面长度实际大于9倍的刻齿深度气,但剪力仅分布在9倍的气的长度以内,故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)刻齿深度与构件截面的高度h的比值越大,则木材平均剪切应力与最大剪切应力的比值越低。因此,减小刻槽深度可以提高木材的平均剪切强度。

    (5)木材是天然的弹塑性材料,在一定条件下可以不破坏其结构而将其塑化压密以增加其密度、提高其物理性能及力学强度。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导致平均剪切强度降低。


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