引言
国内外学者对传统木结构的抗震性能进行了一些开拓性研究，Porte将断裂力学原理应用于木质材料中，基于能量平衡，将线弹性断裂力学理论成功地应用于美国西部白松在LT和LＲ平面的张开型断裂［2］。继此篇研究论文后，各国木材科学研究人员在这方面做了大量的工作。国内关于木材损伤的研究起步较晚，在1988年，北京林业大学的鹿振友研究了断裂力学在木材加工上的应用，研究了含裂纹木材的平衡、扩展和失稳规律，提出了木材断裂研究的重要性［3］。任海青、江泽慧等［4］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用下的破坏过程进行了观察。田振农、张乐文通过理论与试验分析相结合的方法，建立木材多尺度力学分析模型［5］。虽然国内外对木材的力学性能进行了一系列研究，并且也取得了重要的研究成果，但所研究的木材料主要为不同类型的新鲜木材，相关研究主要集中在木材受力后横纹和纵纹方向的破坏方式及木材裂纹的产生以及发展变化规律;由于古木材来源的匮乏，国内外对古木材力学性能的研究很少。对于古建筑而言，其主要构件和支撑结构体系是以古木材为主，且在后期的保护和修缮维护中，主要支撑结构体系无法更换，而且中国古建筑由于其独特性有很多尚未被认识的内在力学特性，其结构力学研究仍然是力学研究的缺憾，对于古建筑材料特性研究则更少。而充分了解古建筑木材料的力学性能，对于在结构试验前或试验过程中正确估计结构的承载能力和实际工作状况以及深入研究古建筑结构减震耗能、抗震防灾等工作都具有非常重要的意义。有鉴于此，本文以古木材为研究对象，根据力学试验结果，分析古木材的强度变形特性，为正确评估古建筑的稳定性提供可靠的材料力学性能依据。
1古木材年代鉴定
本文研究以西安钟楼为依托，试验所用试样是在对钟楼修缮维护中所替换下的木材，为测定试验所用木材的年代，对木材试样进行了年代鉴定，以确保试验中试样为古木材。木材的年代通过测定14C残留的放射性程度来测定，其基本原理是碳以同位素混合物形式存在于大气和所有生命组织中(在组织存活时期混合物的比例为恒定)，自然界中存在着碳的3种主要同位素:12C、13C和，其中12C、13C都是稳定同位素，只有14C具有放射性，故称放射性碳。14C的半衰期为5730年，要用很长时间才可完全消失，当组织(动物或植物)死亡后，与外界14C交流停止，14C的含量就会通过放射衰变逐步减少，这个衰变可以用来计量已死生物的死亡时间。由于1948年以来大规模进行的大气核爆炸实验(原子弹、氢弹等)所产生的中子与大气中的氮核作用生成14C，这些14C也参加自然界碳的交换循环，致使14C放射性水平有增加的影响，这就是核爆炸效应。
2古木材基本力学性能
2．1木材试件尺寸确定
由于目前国内外关于木材静力及单轴加卸载试验的研究较少，国内缺少相关的试验规范。查阅相关文献［6］可知木材纤维疲劳损伤的微观尺度的代表性尺寸为0．1mm～1．0mm，结合《木材顺纹抗拉试验标准》［7］以及MTS试验机试件尺寸限制(试件厚度7～8mm)，本试验设计并采用工字型片状试件，其厚度为5mm，两端为尺寸较大的长方形，便于与夹具更好的接触，中间细部宽为15mm，长20mm，细部与端部有45°过渡倾斜角。试件尺寸如图1所示。
2．2工字型木片静压试验
为分析木材的强度变形特性，本文采用MTS858材料试验机对木材进行了单轴压缩试验，MTS858设备的最大加载能力为10吨，加载频率范围为0．001～100Hz。该设备可以用于压、拉试验、低周疲劳试验以及疲劳裂纹扩展研究。通过控制加载速率对木材试样进行了压缩试验，其应力应变关系如图2所示，图2中所示的曲线为三个试样所得的应力应变曲线。从中可以看出，虽然所选用的试样来自同一根木材，但由于在木材中所处的位置不同，所得结果有一定的离散性，但差别不大。木材的应力应变关系呈明显的非线性，在加载初期应力应变近似呈直线关系，随着加载的进行，应力应变呈现非线性，表明此时木材进入塑性变形阶段，随后应力达到一峰值，而后随着加载的进行，应力逐渐降低，但并非如应变软化型土体、岩石等残余应力趋于一定值，而是其应力值存在波动。木材的应力应变关系整体上属于应变软化型。对工字型片状木材进行静压的试验数据进行整理，将其结果汇总如下表2所示。从表2中可以看出，进行静压试验时，不同试件的残余强度、峰值强度均比较接近，残余强度比均大于0．80。根据试验结果可知，不同试件的静压试验结果较为接近。根据静压试验结果确定，工字型片状木材的峰值荷载值为5kN，峰值强度值为6．67MPa。
3木材损伤力学特性
上述对古木材进行力学性质测定和分析研究时，考虑到试验时尺寸的限制和要求，只能从木材内取出尺寸相对较小的试样来进行，由此所取得的试样尺寸较小，不能全面反映出木材的实际缺陷(后期形成的裂纹或原有的内部空洞等)，所测得的力学强度必然偏高，若直接采用试验结果指导实际工作，必然使工程存在潜在的安全风险。为克服这种试验缺陷，必须使试验所用试样能尽可能地反映木材劣化所导致的力学性能降低，以便所测得的试验结果可以考虑初始缺陷的存在对木材力学性质的影响。为实现这一要求，可以采用的方法有多种，为方便起见，这里结合损伤力学理论进行分析处理，引入损伤变量研究。图5为根据式(2)及图5中的结果所整理的损伤变量与应变关系图，从图中可以看出损伤变量随应变的增大而不断增大，这意味着在加载工程中，木材原有缺陷不断的扩展和新的裂纹不断出现，直至破坏。从图5中可以看出，损伤变量和应变呈对数关系:D=aln(ε)+b(4)式中:a、b为试验常数。通过式(4)不仅可以确定在加载过程中木材的损伤程度，而且还可以进一步建立木材的非线性弹性损伤本构关系，由图5曲线关系可得，a=0．0437，b=0．3034。
4结论
(1)采用加速器质谱仪确定古木材年代，对木材进行了压缩试验，结果表明木材具有明显的非线性，其应力应变关系整体呈应变软化型。(2)为分析木材中缺陷对其力学性能的影响，通过引入损伤力学中损伤变量的概念，确定木材初始损伤制作方法。(3)对木材进行加卸载试验，分析了加卸载过程中木材政治期刊的力学性能演化规律，确定了木材的损伤变量。
作者：彭勇刚 廖红建 钱春宇 李杭州 宋丽 郑建国 单位：西安交通大学 机械工业勘察设计研究院
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