木材的力学性能
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第266页（5006字）
在建筑装饰工程中，通常利用木材的各类强度，用于不同的部位。
(一)木材的各类强度
木材在使用过程中的受力状态，可以分为抗拉、抗压、抗弯和抗剪四类强度，由于木材具有特殊的构造特点，其抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹(作用力方向与纤维方向平行)和横纹(作用力方向与纤维方向垂直)之分。
从总体上讲，木材的强度可以分为顺纹抗压、横纹抗压、顺纹抗拉、横纹抗拉、抗弯、顺纹抗剪、横纹抗剪七种强度。
1．木材的抗拉强度
木材的抗拉强度又可分为顺纹抗拉强度和横纹抗拉强度。
(1)顺纹抗拉强度
顺纹抗拉强度指拉力方向与木材纤维方向一致时的抗拉强度。这种受拉破坏，往往是木纤维并未被拉断，而纤维间先被撕裂或联结处只受到破坏。顺纹抗拉强度在木材各种强度中最大，一般为顺纹抗压强度的2～3倍，其强度值介于49～196MPa，波动比较大。
顺纹抗拉强度虽然很高，但往往不能得到充分利用。因为受拉杆件连接处的应力非常复杂，木材可能在顺纹受拉的同时，还存在着横纹受压或横纹受剪，而它们的强度远远低于顺纹抗拉，在顺纹抗拉强度尚未达到极限之前，其他应力已导致木材产生破坏。
另外，木材的抗拉强度受到木材疵病的影响极为显着，而木材又多少都存在一些缺陷(如斜纹、木节等)，导致其实际顺纹抗拉强度反而比顺纹抗压强度低。
(2)横纹抗拉强度
横纹抗拉强度指拉力方向与木材纤维方向垂直时的抗拉强度。横纹拉力的破坏，主要是木材纤维细胞联结的破坏。横纹抗拉强度很小，一般仅为顺纹抗拉强度的2%～5%，因此使用时应尽量避免木材受横纹拉力的作用。
2．木材的抗压强度
木材的抗压强度也可分为顺纹抗压强度和横纹抗压强度。
(1)顺纹抗压强度
顺纹抗压强度指作用力方向与木材纤维方向平行时的抗压强度，这种受压破坏是细胞壁丧失稳定性的结果，而并非纤维的断裂。木材顺纹抗压强度受疵病的影响比较小，是木材各种力学性质中的基本指标。其强度仅次于顺纹抗拉强度和抗弯强度，该强度在土建工程中应用最广，常用于柱、桩、斜撑及桁架等承重构件。
(2)横纹抗压强度
顺纹抗压强度指作用力方向与木材纤维方向垂直时的抗压强度，木材的横纹受压，使木材受到强烈的压紧作用，产生大量变形。起初变形与外力成正比，当超过比例极限后，细胞壁丧失稳定，此时虽然压力增加较小，但变形增加较大，直至细胞腔和细胞间隙逐渐被压紧后，变形的增加又放慢速度，而受压能力继续上升。因此，木材的横纹抗压强度以使用中所限制的变形量来确定，一般取其比例极限作为横纹抗压强度的极限指标。
横纹抗压强度又可分为弦向与径向两种。当作用力方向与木材年轮相切时，为弦向横纹抗压；当作用力方向与木材年轮垂直时，为径向横纹抗压。木材的横纹抗压强度较小，一般只有其顺纹抗压强度的10%～20%。
3．木材的抗弯强度
木材弯曲时产生比较复杂的应力，木梁则是一个典型的构件。在梁的上部受到顺纹抗压，在梁的下部则为顺纹抗拉，而在水平面中则有剪切力，两个端部又承受横纹挤压。木材在受弯破坏时，通常在受弯区首先达到强度极限，形成微小不明显的裂纹，但不会出现立即破坏，随着外力增大裂纹逐渐扩展，产生大量的塑性变形。随之当受拉区域内许多纤维达到强度极限时，由于纤维本身及纤维间断裂而导致木材最后破坏。
木材具有良好的抗弯性能，抗弯强度为顺纹抗压强度的1．5～2．0倍。因此在建筑工程中应用十分广泛，如用做木梁、桁架、脚手架、桥梁、地板等。但是，木材中的木节、斜纹等缺陷对抗弯强度的影响较大，特别是这些缺陷分布于受拉区时，影响更加显着。
4．木材的抗剪强度
木材的抗拉强度可分为顺纹剪切强度、横纹剪切强度和横纹切断强度三种。
(1)顺纹剪切强度
顺纹剪切系指剪切力方向平行于纤维方向。在剪切力的作用下，沿纤维方向木材的两部分彼此分开。此时因纤维间产生纵向位移和受横向拉力作用，剪切面中纤维的联结遭到破坏，而绝大部分纤维本身并不破坏。所以木材顺纹抗剪强度很小，通常只有顺纹抗压强度的16%(针叶树材)～19%(阔叶树材)。
(2)横纹剪切强度
顺纹剪切系指剪切力方向垂直于纤维方向，而剪切面则和纤维方向平行。这种受剪作用完全是破坏剪切面中纤维横向连接，故木材横纹抗剪强度比顺纹抗剪强度低。实际工程中一般不出现横纹剪切破坏。
(3)横纹切断强度
横纹切断系指剪切力方向和剪切面均垂直于木材纤维方向。这种破坏导致木材纤维横向切断，因此木材横纹切断强度较大，一般为顺纹抗剪强度的4～5倍。
木材的顺纹与横纹强度有很大差别，强度试验证明，顺纹抗拉强度最大，抗弯强度较大，顺纹抗压强度次之，横纹抗拉强度最小。木材各类强度的特征及应用如表9－2所示。
表9－2 木材强度之间的关系
木材强度等级按无疵标准试件的弦向静曲强度来评定，如表9－3所示，木材强度代号中的数值为木结构设计时的强度设计值，它要比试件实际强度低数倍，这是因为木材的实际强度还会受到各种因素的影响。
表9－3 木材强度等级评定标准
(二)影响木材强度的主要因素
影响木材强度的因素很多，除与本身组成构造有关外，还与木材的表观密度、含水率、温度、木材的缺陷、负荷时间、试件部位和晚材含量等有关。
1．表观密度
木材的力学性质，与构成木材物质的数量及构造有关，并以木材的物质数量为最主要，而木材的表观密度是单位体积木材物质数量的标志。木材表观密度与强度之间的关系，一般为直线关系，即表观密度大，其强度也大。
2．含水率
木材的含水率对强度影响极大，随着含水率的变化而变化。当木材的含水率在纤维饱和点以上变化时，木材的强度几乎无变化；当木材的含水率在纤维饱和点以下时，木材的强度随着水分的增加，其强度下降，随着水分的减少，反而强度上升。
试验结果表明：木材的含水率对木材各项强度的影响是不同的，受最大影响的是顺纹抗压强度，其次是抗弯强度和顺纹剪切强度，影响最小的是顺纹抗拉强度。如图9－8所示。
图9－8 含水率对木材强度的影响
为便于强度比较，我国标准规定，木材的强度都以木材标准含水率12%作为标准值，其他含水率(W%)时的测值，应按下式换算成标准含水率时的强度。
σ12=σw[1+α(W－12)] (9－2)
式中 σ12——含水率为12%时的木材强度(MPa)；
σw——含水率为W%时的木材强度(MPa)；
W——试验时木材的含水率(%)；
α——含水率修正系数，当木材含水率在9%～15%范围内时，按表9－4取值。
表9－4 含水率修正系数
3．温度
在通常气候条件下，温度升高不会引起木材化学成分的改变，但会使木材的强度逐渐降低。当温度由25℃升到50℃时，针叶树材的抗拉强度将降低10%～15%，抗压强度将降低20%～24%。当木材长期处于60～100℃温度时，会引起水分和所含挥发物质的蒸发，强度下降，变形增大，颜色变褐。
木材试验证明：当温度在100℃以上时，木材中的纤维素会发生热解，强度明显下降，颜色变黑。当温度降至0℃以下时，其木材中的水分冻结，木材强度将有所增大，但木质变脆，一旦解冻，各项强度均有所下降。
如果木材长时间受干热作用可能会出现脆性，因此如果环境温度可能长期在50℃以上的部位不宜采用木质结构。但是，在木材加工中，常通过蒸煮的方法来暂时降低木材的强度，以满足某种(如胶合板的生产)加工的需要。
4．木材的缺陷
木材的强度是以无缺陷标准试件测得的，但是，木材由于生长情况不同或加工和贮存不当，都会产生很多缺陷，这些缺陷统称为木材的疵病，如木节、斜纹、裂纹、翘曲、腐朽、虫蛀等，以上缺陷都不同程度地降低了木材的均匀性和力学性质，都会影响木材构造的连续性或破坏其组织，从而使木材的强度降低，有时甚至能使木材失去使用价值，其中对抗拉和抗弯强度影响最大。
5．负荷时间
木材对长期荷载的抵抗能力与暂时荷载的抵抗能力不同。木材在外力的长期作用下，只有当其应力远低于强度极限的某一范围以内时，才可避免木材因长期负荷而破坏。木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。木材的持久强度比其极限强度小得多，一般为极限强度的50%～60%。所以，在进行木结构设计时，应以持久强度作为极限值。木材的持久强度如图9－9所示。
图9－9 木材的持久强度
6．试件部位
在进行木材力学试验时，试件在木材的哪个部位取样，也是影响木材试验结果的因素。在一般情况下，木材的强度由树的下部向上逐渐减小，如红松由下向上每升高6m，强度将下降8．19%。即使同一树上同一断面的试件，强度试验结果也有差异，如心材试件的强度大于边材试件的强度。
7．晚材含量
树木的晚材质量比早材好，其组织致密，密度较大。因此，晚材含量愈高的木材，其强度也愈大；早材含量高的木材，其强度较低。