第二章 结构用木材

第二章结构用木材•建筑承重构件用材的要求：树干长，纹理直，木节少，扭纹少，能耐腐蚀和虫蛀，易干燥，少开裂，具有较好的力学性质，并便于加工。•结构用材可分两类：针叶材和阔叶材。结构中的承重构件多采用针叶材。阔叶材主要用作板肖、键块和受拉接头中的夹板等重要配件。2.1结构用材的种类•2.1.1木材树种（a）针叶材（b）阔叶材木结构用材的树种各地区可供选用的常用树种：1）黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古：红松、松木、落叶松、杨木、云杉、冷杉、水曲柳、桦木、槲栎、榆木。2）河北、山东、河南、山西：落叶松、云杉、冷杉、松木、华山松、槐树、刺槐、柳木、杨木、臭椿、桦木、榆木、水曲柳、槲栎。3）陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆：华山松、松木、落叶松、铁杉、云杉、冷杉、榆木、杨木、桦木、臭椿。4）广东、广西：杉木、松木、陆均松、鸡毛松、罗汉松、铁杉、白椆、红椆、红锥、黄锥、白锥、檫木、山枣、紫树、红桉、白桉、拟赤杨、木麻黄、乌墨、油楠。5）湖南、湖北、安徽、江西、福建、江苏、浙江：杉木、松木、油杉、柳杉、红椆、白椆、红锥、白锥、栗木、杨木、檫木、枫香、荷木、拟赤杨。6）四川、云南、贵州、西藏：杉木、云杉、冷杉、红杉、铁杉、松木、柏木、红锥、黄锥、白锥、红桉、白桉、桤木、木莲、荷木、榆木、檫木、拟赤杨。7）台湾：杉木、松木、台湾杉、扁柏、铁杉。•常用木材的主要特性简单介绍如下：落叶松——干燥较慢、易开裂，早晚材的硬度及收缩均有大的差异，在干燥过程中容易轮裂，耐腐性强。铁杉——干燥较易，干缩在小至中等之间，耐腐性中等。云杉——干燥易，干后不易变形，干缩较大，不耐腐。马尾松、云南松、赤松、樟子松、油松等——干燥时可能翘裂，不耐腐，最易受白蚁危害，边材蓝变色最常见。红松、华山松、广东松、海南五针松、新疆红松等——干燥易，不易开裂或变形，干缩小，耐腐性中等，边材蓝变色最常见。栎木及椆木——干燥困难，易开裂，干缩甚大，强度高，甚重甚硬，耐腐性强。青冈——干燥难，较易开裂，可能劈裂，干缩甚大，耐腐性强。水曲柳——干燥难，易翘裂，耐腐性较强。桦木——干燥较易，不翘裂，但不耐腐。新利用树种木材的主要特性：槐木——干燥困难，耐腐性强，易受虫蛀。乌墨（密脉蒲桃）——干燥较慢，耐腐性强。木麻黄——木材硬而重，干燥易，易受虫蛀，不耐腐。隆缘桉、柠檬桉和云南蓝桉——干燥困难，易翘裂；云南蓝桉能耐腐，隆缘桉和柠檬桉不耐腐。檫木——干燥较易，干燥后不易变色，耐腐性较强。榆木——干燥困难，易翘裂，收缩颇大，耐腐性中等，易受虫蛀。臭椿——干燥易，不耐腐，易呈蓝变色，木材轻软。桤木——干燥颇易，不耐腐。杨木——干燥易，不耐腐，易受虫蛀。拟赤杨——木材轻、质软、收缩小，强度低，易干燥，不耐腐。•2.1.2木材品种（1）天然木材原木、锯材（方木、板材）、规格材。原木：树干经砍去枝杈去除树皮的圆木。斜率不超过0.9%。以捎径计径级，捎径80~200mm，长4~8m。d原木捎径大于200mm切锯板材：b≥3h，b=15~80mm。方木：b3h，b=60~240mm。锯材规格材：规定的树种或树种组合，规定的规格尺寸，已经分等定级的结构用商品材。宽度b/mm406590厚度h/mm40、65、90、115、140、185、235、28565、90、115、140、185、235、28590、115、140、185、235、285（2）工程木由天然木材加工的重组木材。层板胶合木、木基结构板材、结构复合木材。2.2木材的构造各向异性材料木材特征沿三个方向不同，分别为：纵向（L）、径向（R）和切向（T），如图。弦向径向轴向主要构成：树皮、木质部、髓心、形成层。•2.2.1宏观构造（1）边材和心材边材：指在生活树木中包含有生活细胞和储藏物质的木材部分；靠近树皮处，材色一般较浅，含水率一般较大。心材：指在生活树木中，不包含生活细胞，同时，其中轴向薄壁组织和射线薄壁组织内含的淀粉和糖类已不存在，或已转化为心材物质的内部木材。心材靠近髓心，其材色通常较边材为深。（2）年轮、早材和晚材早材：指一个年轮中，靠近髓心部分的木材。在年轮显明的树种中，早材的材色较浅，一般材质较松软、细胞腔较大、细胞壁较薄、密度和强度都较低。晚材：指一个年轮中，靠近树皮部分的木材。材色较深，一般材质较坚硬、结构较紧密、细胞腔较小、胞壁较厚，密度和强度都较高。年轮：指一年内木材的生长轮。它在横断面围绕髓心呈环状。（3）木射线木射线：为从髓心到树皮连续或断续穿过整个年轮的、呈辐射状的条纹。木材干燥时常沿木射线开裂。•2.2.2微观构造•组成针叶材的主要细胞和组织是管胞、木射线等。其中管胞占木材体积90％以上，是构成针叶材的最主要分子。•组成阔叶材的主要细胞和组织是木纤维、导管、木射线及轴向薄壁组织等，其中木纤维常占木材体积50％以上，是组成阔叶材的主要分子。2.3木材的缺陷•木材由于构造不正常或受到机械损伤及发生病虫害等，使材质受到影响，降低了木材的利用价值，甚至使木材完全不能使用，这些都称为木材的缺陷。•九种缺点：木节、变色及腐朽、虫害、裂纹、树干形状缺陷、木材构造缺陷、伤疤、不正常的沉积物、木材加工缺陷。其中木节、腐朽及裂纹对材质影响最大。•2.3.1木节•木节是评定木材等级的主要因素。•按断面形状可分为圆形节、条状节和掌状节。•按质地及与周围木材结合程度分为活节、死节和漏节。圆形节条状节掌状节活节死节•木节不仅破坏木材的均匀性、完整性，降低木材的力学强度。木节对顺纹抗拉的不良影响最大，对顺纹抗压的不良影响较小。•木节对静力弯曲强度的影响，在很大程度上决定于节子在构件截面高度上的位置。木节位于受拉区边缘时，影响最大，位于受压区内时，影响较小。•木节在原木构件的影响比在成材构件中为小。•总之，木节影响木材强度的程度大小主要随节子的质地、分布位置、尺寸大小、密集程度和木材用途而定。就木节质地来说，活节影响最小，死节其次，漏节最大。•2.3.2变色与腐朽•变色是由变色菌侵入木材后引起，由于菌丝的颜色及所分泌的色素不同，有青变（青皮、蓝变色）及红斑等；如云南松、马尾松很容易引起青变，而杨树、桦木、铁杉则常有红斑。•变色菌主要在边材的薄壁细胞中，依靠内含物生活，不破坏木材的细胞壁，因此被侵染的木材，其物理力学性能几乎没有什么改变。一般除有特殊要求者外，均不对变色加以限制。•腐朽是腐朽菌在木材中由菌丝分泌酵素，破坏细胞壁，引起木材腐朽。•初期腐朽对材质的影响较小，腐朽程度继续加深，则对材质的影响也逐渐加大，到腐朽后期，不但对材色和木材的外形有所改变，而且对木材的强度、硬度等都会大大降低。•分为白色腐朽（筛状腐朽）和褐色腐朽（粉状腐朽）。•白色腐朽是白腐菌侵入木材，腐蚀木质素，剩下纤维素，使木材呈现白色斑点，成为蜂窝状或筛孔状，又称蚂蚁蛸；这时材质变得很松软，象海绵一样，用手一捏，很容易剥落。•褐色腐朽是褐腐菌腐蚀纤维素而剩下木质素，呈现红褐色，木材表面有纵横交错的裂隙，用手搓捻，即成粉末，又称红糖包。•2.3.3裂纹•在树木生长期内或伐倒后，由于受外力或温度和湿度变化的影响（如不适当的干燥），使木纤维之间发生分离，称为裂纹（或称裂缝）。•分为径裂、轮裂和干裂三种•径裂：在木材断面内部，沿半径方向开裂的裂纹，它是立木裂纹，是由于立木受风的摇动或在生长时产生内应力而形成的，当木材不适当的干燥时，径裂尺寸会逐渐扩大。•轮裂：在木材断面沿年轮方向开裂的裂纹。成整圈的称为环裂，不成整圈的称为弧裂。轮裂在原木表面看不见，在成材断面上成月牙形，在成材表面则成纵向沟槽。轮裂常发生在窄年轮骤然转为宽年轮的部位，严重地影响木材的利用价值。•干裂：由于木材干燥不均而引起的外部裂纹，在原木和板材上均有，一般统称为纵裂。•干缩率越大，截面尺寸越大，则干裂弦向越加严重。•采用“破心下料”方法锯解。“破心下料”的方木•裂纹对木材力学性质的影响取决于裂纹相对的尺寸，裂纹与作用力方向的关系以及裂纹与危险断面的关系等。裂纹破坏了木材的完整性，降低木材的强度。•裂纹除在直接使用原木时不加限制外，无论在加工用材、板材、方材等中，均列为缺陷之一。•2.3.4变形与扭曲•由于木材在三个方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，木材含水率变化时，会引起木材的不均匀收缩，致使木材产生变形或扭曲。木材变形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2.4木材的物理特性•2.4.1含水率木材细胞中含水率变化过程如下图所示，图中颜色越深表示含水率越高。木材细胞中含水率变化过程示意图1．含水率的计算与测定木材含水率是指木材中所含水分的质量占其烘干质量的百分率，可按下式计算：100100mmWm式中W——木材含水率（％）；m1——木材烘干前的质量（g）；m0——木材烘干后的质量（g）。烘干法：烘干前称量测定木材试样质量，得m1；然后放入烘箱内，以103±2℃的温度烘6小时后，任意抽取2~3个试样进行第一次试称，以后每隔两小时将上述试样称量一次，最后两次质量之差不超过0.002g时，便认为已达全干，此时木材的质量即为木材烘干后的质量m0。采用此法测得的含水率比较准确，但费时间，并需一定的设备，适用于要求较精确的情况。电测试法：采用根据含水率与导电性的关系制成的水分测定仪进行快速测定含水率的方法。先接通电源，将水分测定仪的插针插入被测的木材，打开开关，在刻度盘上即可读出该木材的含水率。这种仪器有多种，一般适用于木材纤维饱和点以下的含水率测定，并以测定薄板为主。其优点是简便迅速，便于携带，测定时不破坏木材；适于在工地或贮木场大批测定木材含水率时使用。•吸湿性：木材含水率随周围空气相对湿度和温度的变化而变化的现象。•木材长期放置于一定的温度和一定的相对湿度的空气中，会达到相对恒定的含水率，此时的木材含水率称为平衡含水率。•木材的平衡含水率随空气温度和湿度的改变而变化。•“吸湿”“解湿”现象，木材因吸湿和解湿而产生膨胀和收缩。•木材达到平衡含水率再使用，使开裂和变形较少。2．吸湿性与平衡含水率木材平衡含水率与空气温、湿度关系3．纤维饱和点•纤维饱和点：潮湿木材放在空气中干燥，当自由水蒸发完毕，而细胞壁中的吸着水尚在饱和状态时木材的含水率。•纤维饱和点的含水率因树种、气温和湿度而异，一般在空气温度为20℃与空气湿度为100％时，纤维饱和点的含水率在23～31％之间，平均约为30％。含水率纤维饱和点：木材强度不因含水率的变化而改变，没有膨胀、收缩的变化。纤维饱和点：随含水率的降低，木材强度增加,产生收缩；随含水率的增加而木材强度减小，发生膨胀。4．结构木材对含水率要求•含水率影响：影响木材强度，引起的干缩湿胀导致木材产生裂纹，引起木材腐朽的重要因素。干材半干材湿材18%25%•原木、方木：≤25%•板材、规格材：≤20%•受拉构建的连接板：≤18%•层板胶合木的层板：≤15%•2.4.2干缩与湿胀木材的干缩湿胀是指木材含水率在纤维饱和点以下，随含水率降低，其纵向和横向尺寸都会缩短，体积变小，反之，木材体积会变大的现象。木材干缩的程度用干缩率表示。干缩率是指湿材（其含水率高于纤维饱和点）变化到干材，干燥前、后尺寸之差对于湿材尺寸的百分比。线干缩率、体积干缩率气干干缩率、全干干缩率气干干缩率全干干缩率βw——木材弦向或径向气干干缩率，以％计；βmax——木材弦向或径向全干干缩率，以％计；lmax——湿材时木材在弦向或在径向的长度，以mm计；lw——气干时木材在弦向或在径向的长度，以mm计；l0——全干时木材在弦向或在径向的长度，以mm计。1．线干缩率maxwwmax100max0maxmax100•线干缩率分为：纵向线干缩率（顺木纹方向）、弦向线干缩率和径向线干缩率（横木纹方向）。•三个方向干缩率不同：木材的纵向干缩率很小，一般为0.1％左右。弦向干缩率为6~12％，径向干缩率为3～6％，径向与弦向