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1、第二章第二章 木材的基本结构和性质木材的基本结构和性质木材木材高强度纤维高强度纤维生物生物复合材料复合材料 木材是一种通过树木自身生长以生物方式“制成”的材料。因此，可以看出它是一种高质量的纤维复合材料。2.1 木材的结构木材的结构2.1.1 木材的宏观结构木材的宏观结构2.1.2 木材的微观结构木材的微观结构2.2 木材的物理性质木材的物理性质2.2.1木材的密度木材的密度2.2.2 木材中的水分木材中的水分2.2.3 木材的热学性质木材的热学性质木材的耐火性木材的耐火性在加热情况下，木材加热到180左右，就有一氧化碳CO（27.88%）、氢H2（4.21%）、甲烷CH4（11.36%）、乙
2、烷C2H6（3.09%）和乙烯C2H4（3.72%）等可燃性气体释放出；此外还有不燃性气体二氧化碳CO2（50.74%）释出。此时若将木材靠近火焰口，这些气体就能产生瞬间火焰，但这种火焰不能持续，因为木材在此阶段中是吸热反应，此点温度称之为引火点温度。250290时，木材开始产生放热反应，分解出更多易燃性气体，气体能产生持续的火苗，但仍不是木材本身的燃烧。把产生这种火苗的燃烧状态叫无火苗着火，把这一温度称着火点温度。350450时，木材能自动着火，把这一温度叫做发火点温度。木材的燃烧与木材的导热性、密度、内含物等因素有关，与木材的形状、断面积、表面平滑度和含水率等因素也有关。大断面的木材耐火性
3、能，与木材固有的物理性质有关：高比热容材料达到着火点时需较多能量；多孔性材料热传导率低，对炭化和火焰的贯通抵抗力强；不产生金属材料所具有的变形；表面易形成炭化层，由此阻止氧的供给，同时消耗了大量热量，阻止热的透过；靠木材中水的汽化潜热，阻止材料温度上升等等。某自行车馆为二级耐火等级建筑，地上三层，建筑平面为椭圆形。结构形式为预应力钢筋混凝土框架结构，屋面为钢网壳结构。木质赛道位于该馆二层椭圆形平面的中央，人员集中的观众入口大厅设于该层东西两侧。某自行车馆木质赛道的试验研究p本实验主要通过实体火灾试验研究自行车馆木赛道的燃烧特性，包括全尺寸火灾试验和木赛道材料的锥型量热计试验。p通过试验得到了木
4、赛道的热释放速率、CO和CO2的产生速率等燃烧特性参数。试 验 背 景1.获取木赛道燃烧特性参数燃烧热值、热释放速率、CO、CO2等热分解气体的产生速率等；2.为该自行车馆的火灾数值模拟、烟气流动预测以及人员安全疏散分析提供边界条件；3.为确定该自行车馆屋顶钢结构防火措施提供基础数据和依据。试 验 目 的锥锥形形量量热热计计锥形量热计实验实验设备 1）点燃时间本次2组实验的点燃时间见下表。由上表看出，在同一辐射热通量下，木材厚度的增加使得点燃时间延迟。锥形量热计实验实验过程 2）单位面积热释放速率由右图可见，在1#试验开始后70s，木材的燃烧热释放速率出现第一次峰值，为90kW/m2，而后有所
5、下降。在90s时，热释放速率再次增长，并在130s时出现第二次峰值，为118kW/m2。此后热释放速率一直缓慢减小直至实验结束。1 1实验实验50kW/m50kW/m2 2辐射热通量辐射热通量下的热释放速率下的热释放速率 锥形量热计实验实验过程 2）单位面积热释放速率2 2实验实验50kW/m50kW/m2 2辐射热通量辐射热通量下的热释放速率下的热释放速率 2#2#试验的热释放速率试验的热释放速率变化趋势与变化趋势与1#1#试验相似，试验相似，但出现峰值时间及峰值大但出现峰值时间及峰值大小有所差别。试验开始后小有所差别。试验开始后84s84s，热释放速率出现第一，热释放速率出现第一次峰值，为
6、次峰值，为106kW/m106kW/m2 2；在在196s196s时出现第二次峰值，时出现第二次峰值，为为117kW/m117kW/m2 2。锥形量热计实验实验过程 1.在50kW/m2的辐射热通量下，木材不易被引燃。在同一辐射热通量下，木材厚度的增加可使点燃时间延迟。2.在50kW/m2的辐射热通量下，2个木材试样的总释放热量分别为13.2 MJ/m2和23.6 MJ/m2，平均有效燃烧热分别为9.1 MJ/kg和8.43 MJ/kg。3.在50kW/m2的辐射热通量下，2个木材试样的平均CO2生成率相当。试样厚度的增加会使其平均比减光面积大幅减小。4.木材点燃后，热释放速率会出现一个由于易
7、燃热解物快速燃烧而产生的峰值。木材的炭化会导致释热速率逐步减小，如木材足够厚，热释放速率将处于一个稳定的状态。对于一定厚度的木材，剩余木材的温度在燃烧结束前会迅速升高，从而产生释热速率的第二个峰值。锥形量热计实验实验结论 p木赛道放置在地面上，木赛道内部放置8个0.2m2.5m0.12m的 油盘，每个油盘注入2.5 L正庚烷，见右图。大型量热器实验介绍实验大型量热器实验介绍实验 1 1木赛道试样放置在脚手架上，脚手架高4.6m。试样内部放置2个0.2m2.5m0.12m油盘，每个油盘注入4.0L正庚烷，见右图。木材含水率为15.1%。大型量热器实验介绍实验 3大型量热器实验介绍实验 3 p火源
8、上方烟气层火源上方烟气层温度随时间的变温度随时间的变化见右图。化见右图。p木赛道燃烧时的木赛道燃烧时的烟气最高温度为烟气最高温度为88。烟气温度随时间的变化烟气温度随时间的变化 大型量热器实验介绍实验大型量热器实验介绍实验 1 1p热释放速率随时间的变化，见右图。p木赛道试样在正庚烷燃烧完毕后燃烧较平稳，热释放速率在800 s左右时达到1.8MW的峰值，1020 s后热释放速率开始略有降低。热释放速率随时间的变化热释放速率随时间的变化大型量热器实验介绍实验大型量热器实验介绍实验 1 1结 论1）根据实验所获数据，木质赛道的火灾危险性较小，不会明显增加自行车馆的火灾荷载。2）赛道用木材在燃烧过程
9、中的发烟量较小，对人员安全疏散的影响较小。3）自行车馆内只要配置必要的消防系统，可有效探测和扑灭木质赛道的初起火灾。2.2.4 木材的介电性质木材的介电性质 2.2.4.1 介电常数介电常数介电常数是表明木材在交变电场下介质极化和储存电能能力的一个物理量。木材的介电常数是在交变电场中，以木材为介质所得电容量(Cw)和在相同条件下以真空为介质所得电容量（C0）之比值，用表示。当电压固定不变时，CwQw/VC0=Q0V=Cw/C0=Qw/Q0式中：Q电容器每一块式极板的电量；V电容器两极板间的电势差。2.2.4.2 木材介电性质与木材加工的关系木材介电性质与木材加工的关系 2.2.5 木材的声学性
10、质木材的声学性质2.2.5.1 木材的传声特性木材的传声特性2.2.5.2 木材的振动特性木材的振动特性2.3 木材的力学性质木材的力学性质2.3.1 木材的主要力学性质木材的主要力学性质2.3.1.1 木材的抗拉强度木材的抗拉强度2.3.1.2木材的抗压强度木材的抗压强度2.3.1.3 木材的抗弯强度和抗弯弹性模量木材的抗弯强度和抗弯弹性模量2.3.1.4 木材的抗剪强度木材的抗剪强度2.3.1.5 木材的硬度木材的硬度2.3.1.6 木材的冲击韧性木材的冲击韧性2.3.1.7 木材的变定木材的变定2.3.1.8 木材的断裂木材的断裂2.3.2 木材力学性质的各向异性木材力学性质的各向异性2
11、.3.3 长期荷载作用下木材的力学行为长期荷载作用下木材的力学行为木结构建筑构件在长期承受静荷载时，其木结构建筑构件在长期承受静荷载时，其木构件的变形将逐渐增加。若荷载很小，木构件的变形将逐渐增加。若荷载很小，经过一段时间后，变形就不再增加；当荷经过一段时间后，变形就不再增加；当荷载超过某极限值时，变形不但随时间而增载超过某极限值时，变形不但随时间而增加，甚至使木构件破坏。因此，在木结构加，甚至使木构件破坏。因此，在木结构建筑设计计算变形或应变时，必须考虑木建筑设计计算变形或应变时，必须考虑木构件在长期荷载下产生应力的情况，变形构件在长期荷载下产生应力的情况，变形随时间而增加的性质，即弹性和黏
12、性的两随时间而增加的性质，即弹性和黏性的两个性质在木构件承受荷载时，应同时予以个性质在木构件承受荷载时，应同时予以考虑，这就是木材的黏弹性或流变学性质。考虑，这就是木材的黏弹性或流变学性质。长期荷载长期荷载对木材对木材力学性质力学性质的影响的影响 对于所有的材料来说，其强度都与加载速率与加载时间有关。对于大多数材料来说这个影响较小，但对于木材来说持续载荷对强度的影响极大，在工程设计中时必须考虑的因素。强度的设计必须经过预知载荷所造成的削减因素的修正。对于实木来说，十年的持续载荷将使其强度降低40%。2.3.3.1 木材的蠕变木材的蠕变在恒定的应力下，木结构建筑构件应变随时间而增加，称为蠕变。若
13、梁承受的恒载为最大瞬时恒载的60，受蠕变的影响，大约一年就破坏了。木结构建筑构件使用时承受不超过比例极限的荷载，由于蠕变而形成一持续的、速度是递减的变形，直到破坏时所发生的变形约2倍于前一种情况的变形；当其它情况相同时，木材因长期恒载而产生应力，试验证明此应力并不影响木构件的破坏强度。从木材的微观结构来看，它是既有弹性又有塑性。图28为木材的蠕变曲线，它是在to时给予木材应力，便立即产生相应的弹性变形OA，在此应力作用下，随时间的推移而产生蠕变AB。在时间t1时解除应力，便立即产生弹性恢复BC1(=OA)；至t2又出现部分的蠕变恢复，即从C1回到D，恢复的变形是C1C2；t2以后进一步的恢复不
14、大，可以忽略不计。因此，DE便是荷载卸载循环终结时残留的永久变形。在时间t2的残存变形中，包括全部蠕变恢复量及永久变形，后者从to到t1止，沿OC直线增加。一个物体按照图28的曲线变化的性质，称为“黏弹性”。木材的蠕变曲线木材的蠕变曲线温度对蠕变的影响温度对蠕变的影响根据木材的剪切和弯曲试验，当空气的温度和湿度增加时，木材的总变形及变形的速度也增加。含水率会增加木材的塑性和变形。含水率会增加木材的塑性和变形。2.3.3.2 木材的塑性变形木材的塑性变形木材属于高分子结构的材料，它在受外力作用时有三种变形：瞬时弹性变形、弹性后效变形及塑性变形。木结构建筑构件承载时，产生与加荷速度相适应的变形称为
15、瞬时弹性变形，它服从于虎克定律。加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形，也称黏弹性变形，是因纤维素分子链的卷曲或伸展促成，这种变形也是可逆的。纤维素分子链因荷载而彼此滑动所造成的变形，称为塑性变形，不可逆转。2.3.3.3木材的松弛木材的松弛 木材这类黏弹性材料在外力作用下产生变形，长时间观测就会发现，如果变形不变，对应此恒定变形的应力会随着时间延长而逐渐减小，木材这种恒定应变条件下应力随着时间延长而逐渐减小的现象称之为应力松弛现象。木材松弛曲线木材松弛曲线2.3.4 影响木材力学性质的因素影响木材力学性质的因素2.3.4.1 水分的影响水分的影响2.3.4.2 木材密度的影响木材密度
16、的影响2.3.4.3 温度的影响温度的影响2.3.4.4 缺陷的影响缺陷的影响2.4 木材的化学性质木材的化学性质木材是由天然形成的有机物质构成的，属于高分子化合物。要研究木材作为木结构建筑构件的基本性能，首先要了解组成木材的化学成分及其化学性质。2.4.1 木材的化学成分木材的化学成分2.4.2 纤维素对木材材性的影响纤维素对木材材性的影响2.4.2.1 纤维素对木材断裂的影响纤维素对木材断裂的影响木材的断裂与纤维素结晶度高低、微晶大小和微晶取向度等有密切的关系。当纤维素受到拉伸外力作用后，分子链会沿着外力方向平行排列起来而产生择优取向，分子间的相互作用力会大大加强，其结果对木材断裂强度、断
17、裂韧性、弹性模量产生显著的影响。2.4.2.2 纤维素对木材尺寸稳定性的影响纤维素对木材尺寸稳定性的影响2.4.3 木材的酸碱性质木材的酸碱性质2.4.3.1 木材的木材的PH值值2.4.3.2 木材的缓冲容量木材的缓冲容量2.5 木材的表面性质木材的表面性质2.5.1 木材的润湿性木材的润湿性2.5.2 木材的耐候性木材的耐候性2.6 木材的环境学特性木材的环境学特性2.6.1木材的视觉特性木材的视觉特性2.6.2 木材的触觉特性木材的触觉特性2.6.3 木材的调湿特性木材的调湿特性第三章第三章 结构用木质材料性能的无损检测结构用木质材料性能的无损检测 本章概括性介绍结构用木质材料的无损检测
18、与评价原理、技术及设备。主要介绍几种常见的无损检测与评价方法，包括横向振动法、应力波法、声发射法、射线法。表3-1 木质材料力学性能无损检测技术主要方法主要方法检测检测原理原理机械机械应应力力检测检测采用机械方法施加恒定变形(或载荷)于被测试样上，测得相应的载荷(或变形)，由计算机系统算出试样的弹性模量，并推测静曲强度。振振动检测动检测通过施加外力使试样产生横向振动之后，通过传感器测取试样的自由振动频率，计算出试样的弹性模量。冲冲击应击应力波力波检测检测检测通过试样的纵向应力波的速度，结合试样的密度，确定出试样的弹性模量，对静曲强度及内结合强度等也可进行有效的预测。射射线检测线检测以射线透射木
19、质材料，用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样前后射线强度的变化，根据射线衰减率以及试样的平均吸收系数推算出木材的密度。进而推测力学性能。超声波超声波检测检测通过测定超声波经过试样预定距离的传播时间计算平均波速，然后可利用波速和密度计算试样的弹性模量。表3-2 规格材应力分等方法主要方法主要方法分等原理分等原理目目测测分等分等主要根据木材表面的节子、纹理、开裂、和腐朽等木材缺陷，在目测观察的基础上预测木材等级的方法。机械分等机械分等根据木材根据木材变变形形由机械连续测量木材的变形，计算木材的静弹性模量，并从弹性模量和强度的关系，推测木材的强度值。根据振根据振动动特性特性由木材的振动特性得出
20、固有频率，计算木材的动弹性模量，并根据与强度的关系，推测木材的强度值。3.1力学性能测试原始方法3.1.1中心点单载荷弯曲测定法中心点单载荷弯曲测定法图 1为中心点单载荷弯曲测定法（亦称：三点弯曲测试法）的示意图。木质材料试件被简支在两端，一个载荷施加在试件中间点并垂直于试件。测定载荷大小和试件中间点的变形量。试件弯曲弹性模量(MOE)可以通过下面方程式计算得到。式中：P载荷（N）,L两支承间距（m），I试件惯性距（m4），试件中间点变形（m）。图 1 中心点单载荷弯曲测定法示意图3.1.2横向振动无损检测技术横向振动可以用来进行木质材料的无损检测。为说明这种方法的基本原理，可以将横向振动简化
21、为一个悬挂在弹簧下面的重物所做的振动，如图 3所示。在图中，重物M通过一个弹簧被悬挂在一个绝对刚性支承下面，弹簧的刚度为K，弹簧重量可以忽略。振动过程中的阻尼可以简化为一个阻尼器D。当一个交变载荷作用在重物上，则重物M的振动可以用下面方程表示。图 3 重物弹性振动模型（左）和横向振动梁（右）当振动梁被简支在其两个端点时，有下面求解弹性模量（MOE）成立。在上面两个求解弹性模量（MOE）的计算式中：MOE 动态弹性模量（Pa）fr 响应频率（Hz）W 梁的重量（Kg）L 梁的长度（m）I 梁的惯性距（m4）g 重力加速度（9.8m/s2）3.1.3应力波无损检测技术2.1.4声发射评价2.1.5射线法3.1.6木质材料无损检测与评价设备3.1.6.1原木检测仪器原木检测仪器3.1.6.2锯材检测设备和仪器锯材检测设备和仪器(1)Metriguard板材机械应力分等设备板材机械应力分等设备(2)应力波类检测仪器应力波类检测仪器(3)振动类检测仪器振动类检测仪器3.1.6.3单板检测设备单板检测设备图图 20 Metriguard的单板检测设备的单板检测设备