木材断裂行为与其声发射特性分析

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1、1绪论1．1概况现代木结构住宅建筑在世界上许多国家已很普遍。在北美，木结构住宅处于市场主导地位。1997年美国新建独户别墅约113．8万幢，其中90％采用木结构，在33．8万幢多层住宅中，大多数也采用木结构。75％的人居住在木制房屋里，尤其是高档别墅几乎全部是木制的。在加拿大，木材工业是国家支柱产业之一，其木结构住宅的工业化、标准化和配套安装技术非常成熟。在日本，大量的住宅是利用木材、胶合木和水泥刨花板建造的，目前日本新建住宅房屋中，有半数以上是木结构。在芬兰和瑞典，民居住房的90％为一层或二层的木结构建筑⋯。近几年随着我国国民经济的发展和人民牛活水平的不断提高，出现了国外企业集团争相开发我

2、国木结构房屋市场的局面。木材用作结构材料使用的需求如此之大，这无疑将对木材的强度校核和安全设计提出更高的要求。而按照传统的强度理论进行材料强度校核时，木材被视为均匀、连续的理想固体，忽视其内部存在的初始裂纹，故在使用中可能发生意外断裂现象。木材是一种天然可再生的非均质牛物质材料，其中含有许多隐含的微裂缝(如细胞壁上的纹孔、连接导管的穿孔、细胞问隙等)，甚至有宏观的开裂、导管槽、早晚材结构上的差异。木材的强度、变形和破坏性能与其内部结构及裂缝的扩展有关乜1。图卜1举例说明了木构件中存在的裂纹情况：图中虚线表示裂纹。第一种情况是当结构承载时由于构件的几何形状而导致垂直纹理的拉麻力产生，如图a～c

3、；第二种情况是由于机械或胶粕剂而使节点附近的横纹虑力增大，如图d～i；第三种情况是各种同有应力导致开裂，例如生长应力或含水率不均匀引起，如图k～n；第四种情况是由于木材本身的非均质或缺陷所致，如各向异性、节子等，如图o～p；最后一种情况是一种特殊例子，由于加jIi过程中的误伤而产生劈裂，如图q所示。针对上述问题，国内外已开展了木材断裂方面的一些基础研究，_丰要以断裂力学为理论基础，同时考虑到术材作为一种牛物质复合材料的特性，对其断裂参数(主要是应力强度因子)进行测定，并从微观角度观察断口的形态，为木材的断裂机理作出相应的解释。传统的研究大部分停留在对断裂机理的理论阐述上，而对实际应用并未有效

4、联系。而且在很多对于木材断裂韧度测试巾存在着由于力学基础认识不足而导致一些误差的做法。本文作者试图以木材的断裂力学为理论基础，重点阐述其中容易被忽视的细节，再通过实验测定加以证实，最后将所研究的内容联系木结构实际应用，为规格材的分等和木结构设计提供～些参考，以保证木结构的安全。ta)(d)(9)(m)(p))【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_一(f

5、-．．-o．⋯11)r—————————1(b)1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_JI(e)‘h)(c)i)(n)Jl多蕊芳；蠢≤衫禧≮藩二‘二-二-=．?‘二7／◆：。二j：j≮：(o)(q)图卜1各种不I-J类型的横纹断

6、裂¨列Figurel—lV撕oustypesandcausesoffracturepe叩endicularto铲ain2蛊=j1．2国内外研究情况线弹性断裂力学是研究理想脆性材料和构件，当存在裂纹型缺陷时，裂纹尖端应力场和裂纹扩展规律的一门学科。线弹性断裂力学日前已获得充分的发展与应用，在解析的、数值的与试验的研究方面，都已取得许多成果。在某些行业中，以线弹性断裂力学作为制定规范和有关结构安全评定的基础。对于弹塑性材料，裂纹尖端周闱进入小范围屈服时，线弹性断裂力学经过适当的修正后，仍然可以用于含裂纹材料和构件的断裂分析，即使构件进入大范围屈服时，在弹性区部分，仍然必须用线弹性断裂力学的分析方

7、法眵。因此线弹性断裂力学不仅适用于理想脆性材料(例如玻璃、陶瓷等)，还对部分弹塑性材料(例如高强度钢材、原截面的中强度钢构件或在低温下使用的中、低强度钢构件)，其裂纹尖端塑性区尺寸与裂纹长度相比很小时，都可以用线弹性断裂力学理论分析，因而线弹性断裂力学理论具有较广的应用范闱。木材作为一种牛物质复合材料，对其断裂行为的研究也可以线弹性断裂力学为理论基础。1．2．1木材断裂行为的国内研究我国科学工作者对木材断裂力学性质的研究甚少，1993年范文英H1等对木材断裂韧性的测定方法做了简单研究；1997年孙艳玲。”等发表了木材断裂力学研究的综述性文章，介绍了木材断裂力学的概念、研究方法以及国内外对木材

8、断裂力学的研究现状及发展前景；1999年孙艳玲瞄1等用有限元计算了水曲柳裂纹尖端戍力强度因子，借助美国大型通用有限元分析软件NASTRAN计算出裂纹尖端附近的应力，并通过GRAFTooL软件对数据进行后期处理。画出裂纹尖端附近的应力强度因子分布图；1999年任海青介绍了应力强度因子的测试方法和计算方法；2000年江泽慧等运用同步辐射光源，对杉木和马尾松径、弦向切片在拉应力作』}j下的破坏过程进行了观察；200