木材测试
来源：Roberto Leon，弗吉尼亚理工学院土木与环境工程系，美国弗吉尼亚州布莱克斯堡
木材是一种普遍存在的材料，自古以来就被用于建筑。木材是一种可再生、可持续的材料，具有很高的美学价值。如今，使用木材建造的建筑物可能比任何其他结构材料都多。这些建筑物中许多是独户住宅，但也有许多大型公寓楼以及商…
压缩试验
- 获取三种不同木材（例如南方松、云杉和橡木）名义尺寸为3-1/2英寸的压缩立方体试样。试样可从4x4截面木材上切割而成，但应为无缺陷的实木部分。确保试样各表面相互平行。一组试样应在载荷平行于木纹方向的情况下进行测试，另一组试样则应在载荷垂直于木纹方向的情况下进行测试。每组内的测试重复次数取决于所需的置信区间。本实验中每组仅进行一次测试，因为实验目的为演示测试技术，而非为工程设计建立大规模且稳健的数据集。
- 使用卡尺测量每个试样的横截面尺寸（宽度和厚度），精确至0.002英寸。测量压缩试样的总长度（即加载方向上的长度）。由于试样沿长度方向的尺寸可能略有变化，应进行多次测量，并记录每个测量尺寸的近似平均值。
- 在设置好万能试验机后（参见本系列第一篇文稿：材料常数），将试样小心地置于压缩压板中心位置，降低横梁直至施加轻微载荷。使用微调控制将载荷卸至尽可能接近零。
- 以每秒20 psi至50 psi之间的加载速率缓慢施加压缩载荷。
- 压缩试验可能持续数分钟，期间载荷持续增加，试样中可观察到明显的应变。继续试验直至明显达到最大载荷。
- 从显示屏上记录最大载荷值。
- 对所有试样重复上述步骤，包括载荷方向平行于木纹和垂直于木纹的试样。
拉伸试验
- 获取三种不同木材的狗骨状试样（例如南方松、云杉和橡木）。一组试样应在载荷平行于木纹方向施加的情况下进行测试，另一组试样则应在载荷垂直于木纹方向施加的情况下进行测试。需要注意的是，这些试样类型并非ASTM木材测试所要求的类型，其目的旨在演示拉伸性能，而非建立用于设计的数据库。
- 使用常规拉伸试验机按正常步骤进行操作（参见本系列第二篇文稿：钢材的拉伸试验）。
弯曲试验
- 取一段长约24英寸的致密南方松木料，尺寸为2x4。
- 在万能试验机上安装四点弯曲测试装置（图1）。
图 1：四点弯曲试验装置。
- 启动试验机及相关软件。确保软件设置为捕获最大载荷，并记录载荷和横梁位移值。
- 将2x4试件安装到装置中，降低上横梁，直至装置刚好开始与木梁接触。
- 缓慢施加载荷（约每分钟2000磅），直至梁发生断裂（图2）。
图 2：木梁受弯破坏。
- 记录失效载荷。
木材是一种无处不在的材料，自古以来就被用于建筑。作为一种可再生且可持续的材料，木材在工程中被广泛用作结构材料，用于建造独户住宅建筑，也用于商业和工业建筑中的隔断框架及其他非结构部件。
由于木材具有天然来源，其力学性能与树木的具体树种密切相关。含水率及其他变量，例如缺陷的存在，都会影响其性能。对于特定应用，设计人员必须仔细考虑木材构件或结构所承受的预期荷载，以确保材料发挥最大效能。
本视频将演示如何测试不同类型木材的力学性能，并确定其应力-应变行为和抗弯性能。
木材由细长、圆形或矩形的管状细胞构成，这些细胞的长度远大于其宽度。在细胞壁内，由微纤丝形成多个层次，而微纤丝是纤维素聚合物的束状结构。
微纤丝链在细胞壁各层内沿不同方向排列。中间层的微纤丝链沿细胞长轴方向排列，为细胞提供主要强度；而内壁和外壁中呈对角线排列的微纤丝链则提供稳定性。木质素将纤维素聚合物、微纤丝链以及细胞壁中的细胞彼此结合在一起。大量细胞的束状结构使其成为一种非常坚固的建筑材料。
木材是一种生物材料，因此非常容易受到环境降解和虫害侵袭。目前使用的许多木材都经过化学预处理，以保护其免受环境和昆虫侵害。
木材是一种非均质材料，其特点在于存在大量缺陷，例如节子和裂纹。因此，在工程设计中通常采用较大的安全系数，即设计强度与实际极限强度的比值，以应对不同木材试样工程性能的显著差异。
由于其细胞结构，木材是一种正交各向异性材料，在平行于和垂直于纹理方向的纵向和横向轴上具有不同的性能。因此，当载荷平行或垂直于木纤维时，材料将表现出不同的力学行为。木材的正交各向异性特性可以通过不同的方法加以改善。
胶合板等层压材料由纤维呈相互垂直方向排列的多层结构组成，从而形成各向同性材料。而胶合木则是将纤维方向一致的细长木条在压力下粘合而成，通过分散缺陷来获得强度。
木材的细胞结构也决定了其细胞腔内存在的自由水以及细胞壁上结合的水分。因此，含水率是决定木材强度的关键参数，通常情况下，含水率降低会导致强度增加。干燥过程中伴随的体积变化可能导致不均匀的收缩和变形，例如扭曲、弯曲、凹陷或翘曲。
由于木材是一种高分子材料，因此在持续载荷下也容易发生蠕变或类似黏性流动的连续变形。当载荷卸除后，大部分变形可以恢复。因此，如果加载时间较短，木材通常能够承受更高的应力。由于上述所有因素在日常设计中过于复杂，出于结构用途，我们采用以下方法：对多种木材无缺陷极限强度值进行统计分析，根据含水率进行修正，并依据木材等级确定强度比，以修正影响强度降低的各种因素。
大多数木材的常用性能通常以表格形式发布，以便于查阅。这些性能包括：容许抗弯应力、顺纹抗拉强度、顺纹抗剪强度、横纹抗压强度、顺纹抗压强度以及弹性模量。除了木材树种本身所具有的基本方向相关性能外，显然并非所有木材在受力时都表现出相同的行为。
现在您已经了解了木材的物理特性以及木材测试的原理，让我们利用这些知识来进行几项测试。
开始实验前，选择三种木材进行比较。对每种木材，制备两个名义边长为 3.5 英寸的压缩立方体试样。确保试样无缺陷，且相对表面相互平行。从每种木材中各标记一个试样，用于顺纹加载测试，其余试样用于横纹加载游戏副本。
使用卡尺测量每个测试试样加载方向的高度，并在多个位置重复测量以确定近似平均值。完成后，采用相同的方法测定每个试样的横截面尺寸。
按照 JoVE 视频中关于材料常数的方法设置万能试验机。然后，将试样以正确的方向小心地居中放置在压缩压板上。降低横梁，直至施加轻微载荷，再使用微调控制将载荷卸至尽可能接近零。
以每秒40 psi的加载速率施加压缩载荷。随着载荷增加，试样会出现明显的可见应变，压缩试验可持续数分钟。持续进行试验，直至达到明显的最大载荷。
测试结束后记录最大载荷，然后对剩余的样品重复该操作步骤。
再次进行压缩试验，此次将载荷施加于试样纹理的垂直方向。对其他种类的木材重复上述步骤。
现在使用相同的三种木材制备一些狗骨形试样。制备一组试样，使其纹理方向与试样长轴平行；再制备另一组试样，使其纹理方向与试样长轴垂直。
按照 JoVE 视频中关于钢的应力-应变特性的演示，对全部六个试样进行拉伸试验。
取每种木材约24英寸长的2英寸×4英寸试件。将四点弯曲测试装置安装到万能试验机上。装置准备就绪后，启动试验机。调整测试参数以记录载荷和横梁位移值，并捕捉最大载荷。将试样安装至装置中，下放上部横梁，直至装置刚好开始与木梁接触。
以每分钟2,000磅的速率施加荷载，直至梁断裂。试验完成后记录破坏荷载，然后对剩余试件重复进行试验。
使用表格总结压缩、拉伸和弯曲试验的结果。然后，在每一列中将数据归一化至最大值，并制作新表格。
现在，查看您的实验结果。所有结果均一致表明，橡木是最坚固的木材，其次是云杉和南方松。对于两个最重要的性能指标——抗弯强度和顺纹抗压强度，云杉的强度约为橡木的87%，而南方松的强度约为橡木的78%。考虑到这些木材之间显著的价格差异，作为其中最便宜的南方松是一种非常高效的选择。
木材测试在结构工程中至关重要，用于评估最终设计在日常使用中承受应力和应变的能力，以确保产品安全并符合国际标准。
在四点弯曲试验中，简支梁在其三分点处承受两个相等的集中载荷，从而在梁的中部区域产生恒定弯矩和零剪力。该试验对于主要承受弯曲应力的木质结构楼板系统至关重要。
直到最近，木结构建筑在公寓或小型办公楼中仅限于三到四层。随着交叉层压木材技术的发展，现已开发出能够达到八层或更高的结构体系。尽管目前仍有约20层的更高建筑正在研发中。
您刚刚观看了 JoVE 的木材测试简介。现在，您应该了解木材的工程特性，以及如何对木材试样进行拉伸、压缩和弯曲测试。
感谢观看！
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Q1: Why does wood behave differently when loads are applied parallel versus perpendicular to the grain?
Wood is an orthotropic material with different mechanical properties along longitudinal and transversal axes relative to grain direction. Its cellular structure, composed of elongated tube-like cells with microfibrils aligned in distinct directions, causes it to respond differently to parallel versus perpendicular loads. This directional variation significantly affects strength and performance in structural applications.
Q2: What role does moisture content play in determining wood strength?
Moisture content is a key parameter affecting wood strength, with reduced moisture generally increasing strength. Wood contains free water in cell cavities and water bound to cell walls. Drying causes volumetric changes that may result in nonuniform shrinkage and distortion such as twist, bow, cup, or crook, which engineers must account for in design.
Q3: How do plywood and glulam improve wood's orthotropic properties?
Plywood layers fibers in perpendicular directions, creating an isotropic material with uniform properties in all directions. Glulam aligns thin strips in the same direction and glues them under pressure, distributing defects throughout the material. Both methods overcome wood's natural directional weakness, making the composite materials stronger and more predictable for structural use.
Q4: What is the purpose of a four-point bending test in wood structural evaluation?
A four-point bending test loads a simply-supported beam with two equal point loads at its third points, creating a central portion with constant moment and zero shear. This test is critical for assessing flexural performance because wood structural elements in floor systems are primarily loaded by bending stresses, making it essential for ensuring design safety.
Q5: How do defects and inhomogeneities affect wood's engineering properties?
Wood is an inhomogeneous material with numerous imperfections such as knots and splits that create large variations in engineering properties between different wood pieces. Engineers use large factors of safety—ratios of design strength to actual ultimate strength—to account for these defects. This conservative approach ensures structural reliability despite natural material variability.
Q6: Why does wood experience creep under sustained loading?
As a polymeric material, wood is prone to creep, undergoing continuous viscous-like deformation under constant load. When the load is released, most deformation is recovered. Consequently, wood can support much higher stresses if loading duration is short, making load duration a critical design consideration for long-term structural performance.
Q7: What mechanical properties are typically published in wood design tables for structural engineers?
Published wood properties include allowable bending stress, tension parallel to grain, horizontal shear, compression perpendicular to grain, compression parallel to grain, and modulus of elasticity. These orientation-specific properties, combined with statistical analysis of defect-free strength values, moisture content corrections, and wood grade ratios, provide engineers with standardized data for everyday design applications.