木柱抗横向冲击性能研究

罗卓卓 张继承 杜国锋 毛振豪 马乾坤

摘 要：为研究圆木柱抗冲击性能，利用自主设计的简易落锤式试验机对圆木柱进行横向冲击试验。运用高速相机记录各试件在冲击过程中裂缝的发生、发展直至破坏的全过程，并且利用数字图像相关技术（digital image correlation method，DIC）获得试件的位移云图和冲击挠度，分析冲击高度和冲击位置等关键因素对木柱横向冲击动力响应的影响。结果表明，试件在冲击荷载作用下的整体变形表现为由受拉引起的弯曲变形，裂缝首先在试件底部产生，然后迅速在侧面并向上发展。随冲击位置由跨中向支座处靠近，对应的挠度越来越小，即跨中为最不利冲击位置，而冲击位置对冲击力峰值和冲击持续时间的影响有限。

关键词：圆木柱；横向冲击；冲击位置；数字图像相关

中图分类号：TU366.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）06-0208-09

Study on the Lateral Impact Resistance of Wooden Columns

LUO Zhuozhuo， ZHANG Jicheng， DU Guofeng， MAO Zhenhao， MA Qiankun

（School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract：In order to study the impact resistance of round wood columns， a simple drop hammer test machine designed by ourselves was used to conduct lateral impact tests on round wood columns. A high-speed camera was used to record the whole process of crack occurrence， development and damage of each specimen during the impact process， and the displacement cloud chart and impact deflection of the specimens were obtained by digital image correlation （DIC） technique. The effects of key factors such as impact height and impact location on the lateral impact dynamic response of the wooden column were analyzed. The test results showed that the overall deformation of the specimen under impact loading was characterised by bending deformation caused by tensile forces， with cracks first arising at the bottom of the specimen and then rapidly developing at the sides and upwards. With the impact position approaching from midspan to support， the corresponding deflection became smaller and smaller， that was， midspan was the most unfavorable impact position， and the impact location had limited effect on the peak impact force and impact duration.

Keywords：Round wood column; lateral impact; impact position; digital image correlation

收稿日期：2022-12-16

基金項目：国家自然科学基金面上项目（51778065）。

第一作者简介：罗卓卓，硕士研究生。研究方向为木结构。E-mail：1494103572@qq.com

*通信作者：张继承，博士，教授。研究方向为钢管混凝土。E-mail：Zhangjicheng@yangtzeu.edu.cn

引文格式：罗卓卓，张继承，杜国峰，等. 木柱抗横向冲击性能研究 [J]. 森林工程， 2023， 39（6）：208-216.

LUO Z Z， ZHANG J C， DU G F， et al. Study on the lateral impact resistance of wooden columns[J]. Forest Engineering， 2023， 39 （6）：208-216.

0 引言

木柱作为木结构最基本的构件之一，在人为灾害（如车辆撞击）和自然灾害作用下均可能承受冲击荷载的作用。认识和把握木结构在冲击等强动力荷载作用下的性能是土木工程防灾减灾领域的重要课题之一。

木材是最常见的建筑材料之一，具有生态环保、保温隔热和易于加工等诸多优点，已被广泛应用于现代建筑。目前，国内外学者主要集中于木柱或木梁在静力、抗震以及火灾方面的研究。李铁英等对木结构的抗震性能进行了评估；曾丹等及杨孝博等对落叶松胶合木柱的轴心受压性能进行了试验研究；Okamoto等对不同试件高度的胶合层木板试件进行了三点弯曲试验，抗弯强度随试件高度的增加而降低，但当试件高度超过100 mm时，抗弯强度的下降幅度随试件高度的增加而减小。林佶等对落叶松胶合木柱的偏心受压性能进行了试验以及有限元模拟研究；Zhang等研究了在偏心压缩载荷下纵向开裂的胶合木柱的力学性能。许清风等分别对木梁和木柱进行了三面、四面受火后力学性能的对比试验研究。上述对木构件的研究均在抗震、静力以及火灾方面，而对木构件在冲击荷载作用下的研究还非常有限，因此，有必要对木构件的抗冲击性能进一步的探讨。

数字图像相关法所需要的试验准备相比于其他直接测量裂缝的方法简单，具有非接触、非破坏和对环境要求低等优点。基于这些优点，数字图像相关法在工程应用中非常广泛。如Liu等用数字图像相关法测量在冲击荷载作用下碳纤维布加固的木梁在轴向力作用下的挠度；项胜在进行高温后混凝土和箍筋约束混凝土力学性能试验时，采用了数字图像相关方法对混凝土表面变形和裂缝进行了全场监测； Jeong等用数字图像相关法研究拉伸试验评价日本落叶松（Larix gmelinii）、赤松（Pinus densiflora）、红松（Pinus koraiensis）和日本柳杉（Cryptomeria japonica var. sinensis）的正交异性，获得木梁的应变分布云图。

综上所述，本研究设计了6根圆木柱试件，采用落锤试验装置对圆木柱进行横向冲击试验，利用数字图像相关技术（digital image correlation method，DIC）获得试件的冲击挠度并观察试件的初始裂缝和裂缝发展路径。以冲击高度和冲击位置为变化参数对圆木柱抗横向冲击性能进行细致分析，以期为该类结构的研究提供参考。

1 试验设计

1.1 试件设计

试验共设计了6根圆形木柱试件，所用木材由东北落叶松（Larix gmelinii）原木制成，密度为0.54 g/cm，由于试验设备和场地的限制，所有试件长度均为1 000 mm，直径为100 mm。用自制夹具将试件两端夹住，并用螺栓将其固定在加载支座上，形成两端简支的边界条件，净跨为750 mm，伸出支座长度为125 mm。试验变量有冲击高度（H=1.0、1.5 m）和冲击位置（L=1/2h、1/3h和1/4h，h为试件净跨）。各试件的详细参数见表1。

1.2 试验装置

试验在长江大学结构试验室使用自主设计的简易落锤试验机上完成，试验装置如图1所示。落锤试验机主要由支座（与地锚固）、落球和轨道组成。其中轨道由大型门架、PVC管（直径0.25 m）、卡扣、螺杆、滑轮和绳子组成，门架总高度3 m，有效冲击高度2.4 m；落球由实心球和焊环组成，总质量42 kg，直径0.23 m，总高度0.5 m（加焊环），如图1（c）所示，实心球材料是轴承钢，因此具有较高的硬度，在撞击木头时基本不发生变形。冲击试验前，将构件对称放置在支座上，然后通过高强螺栓将试件两端固定，通过移动螺杆和平底螺母来改变冲击位置，如图1（d）所示。最后通过滑轮和绳子把实心球拉到指定高度并释放，完成冲击加载。

1.3 试验量测

试验中记录了冲击力、位移以及试件应变的时程曲线。其中，冲击力时程曲线由固定在落球上部的LC0407T型加速度传感器记录，采集频率2 kHz。为分析冲击时木头表面应变，在木头表面粘贴10个应变片。为分析冲击时木头表面应变，在木头表面粘贴10个应变片（S-1—S-10），在A-A截面处粘贴了4个应变片（S-1—S-4），S-1和S-2分别为底部环向和纵向应变，S-3和S-4分别为侧面环向和纵向应变；在B-B处截面粘贴了6个应变片（S-5—S-10），S-5和S-6分別为底部环向和纵向应变，S-7和S-8分别为侧面环向和纵向应变，S-9和S-10分别为顶部环向和纵向应变，应变片布置信息如图2所示；采用DH5908无线动态应变采集仪对试件的应变进行记录，采集频率1 kHz；位移时程曲线通过高速摄像机拍摄试件侧面散斑区域的运动轨迹进行记录，拍摄速度为2 000帧/s。

2 结果与分析

2.1 试验过程和破坏模式

2.1.1 冲击过程

图3为高速相机记录到试件（H1.0 L1/2）的冲击过程，其中t表示从锤子开始落下那一刻起的冲击时间。由图3可以看到，落锤冲击试件的过程可分为6个阶段：落锤从指定高度自由落下，落至试件上表面接触前，落锤获得最大的动能，如图3（a）所示；落锤撞击试件，试件获得动能，试件与落锤一起向下运动，如图3（b）所示；运动过程中试件的塑性变形消耗落锤的动能，落锤速度逐渐减小，当落锤速度减小为零时，试件和落锤保持相对静止状态，试件变形达到最大，如图3（c）所示；之后储存在试件内的弹性势能释放，落锤随试件开始向上运动，如图3（d）所示；向上一段距离后，落锤则脱离试件继续向上减速运动，试件由于自身刚度再次向下运动，在平衡位置附近自由振动，如图3（e）所示；落锤上升至一定高度后再次向下撞击试件，反复微小的撞击后由于能量耗尽，落锤与试件最终静止，如图3（f）所示。整个冲击过程持续约一百多毫秒。2.1.2 破坏模式

图4（a）给出了不同冲击位置木柱破坏情况，图4（b）给出了不同冲击高度木柱破坏情况。

1）从图3可以看出，对冲击高度为1.0 m的试件H1.0 L1/2，在t=12 ms时，试件在冲击位置下有倾斜裂缝产生，然后往上发展但并不显著，试件其他部位基本保持直线状态，而且试件的整体变形表现为弯曲变形；对冲击高度为1.5 m的试件H1.5 L1/2，试件产生的裂缝较试件H1.0 L1/2相比更大，并且有较大的剪切裂缝产生沿横向发展，试件整体弯曲变形更明显，如图4（b）所示。

2）由图4（a）可知，对相同冲击高度下冲击位置不同的试件H1.5 L1/2、H1.5 L1/3、H1.5 L1/4分析可以看出，试件H1.5 L1/2不仅有纵向的裂缝还有横向的剪切裂缝产生，而其他2个试件只有纵向的裂缝，试件H1.5 L1/2、H1.5 L1/3中最大变形达到了121.439 mm（表1），且基本丧失承载力，而试件H1.5 L1/4变形次之最大变形为92.079 mm。

综上分析，试验使用的是简支边界条件，因此主要的破坏位置在撞击点处。木柱在3种不同冲击位置、2种冲击高度下，裂缝发展过程类似，首先在底部产生纵向和横向裂缝，然后迅速在侧面并往上发展，其余部位基本无破坏。

2.2 冲击力时程（F-t）曲线

冲击力是分析冲击试验的关键参数之一，是落锤与试件之间的接触力。表1中给出了各试件的冲击荷载参数，图5给出了所有试件承受的冲击力时程（F-t）曲线。由图5可知，在冲击荷载作用下，所有的试件均有相似的波动趋势，基本上分为振动、稳定和下降3个阶段。在第1阶段，当试件从零加速到接近落锤的速度时，冲击力在短时间内达到峰值，突然的横向冲击引起试件剧烈的弯曲变形，试件与球的接触面积快速变化，因此在此阶段冲击力波动较大。在第2阶段，试件在冲击载荷作用下从零速度加速，逐渐变形。试件和落锤一起向下运动并保持接触，冲击力在峰值减小的过程中，落锤由于试件的阻力持续的减速，试件的速度大于落锤的速度，冲击力数值保持在某一数值（通常称为平台值）附近波动。第3阶段，试件位移达到最大值后，由于弹性变形的恢复试件发生回弹，冲击力进入下降阶段，直至试件和落锤分离，冲击力减小到零。

另外，由图6可知，冲击高度相同时，不同冲击位置下的冲击力程曲线的趋势基本一致；随着冲击位置向支座处靠近，试件变形区别不明显，冲击力峰值（以1.5 m高度为例）由26.27 kN减小至23.84 kN，相差并不显著，和图4所描述的破坏模式一致。在同一冲击位置（1/2h）时，冲击高度为1.5 m的冲击力峰值比1.0 m高出37.34%（1/3h为39.50%、1/4h为37.16%），即冲击高度越高，冲击力峰值越大，试件整体变形也越大，但是不影响冲击力时程曲线的波动趋势。

2.3 挠度时程（Δ-t）曲线

在整个试验过程中，使用高速相机记录整个冲击过程，保存落锤刚开始接触试件表面到落锤静止在试件上这个时间段的照片；然后将照片导入XTDIC三维全场应变测量分析（XTDIC 3D full-field strain measurement analysis）软件进行相关分析，将散斑区域划分为等量的虚拟网格，即子集。根据数字图像相关（ digital image correlation，DIC）程序设定的算法，通过计算这些网格上的点的运动，得到整个散斑区域的位移。

图7给出了采用DIC分析的位移云图（以H1.0 L1/2试件为例），分别是落球刚接触试件表面、最大位移处和静止阶段3个位置处的垂直变形。落球刚接触试件表面时，试件的最大位移为2.675 mm，表明试件的整体变形尚不明显，主要是局部变形。在最大位移处时，可以看到试件有明显的整体变形和破坏裂缝，裂缝出现在冲击位置底部，呈现张拉裂缝，最大位移为41.737 mm。在静止阶段时，可以看到裂缝发展完成，裂缝在底部迅速发展至侧面，如图7（c）所示，从图7（c）中可以看到试件残余位移为37.846 mm，表明试件在冲击过程中最大位移回弹了约4 mm；并且与图3落锤冲击过程和图4破坏模式都相对应。

试件的挠度时程（Δ-t）曲线如图8所示，由图8可以看出，虽然试验时冲击力时程曲线出现了剧烈的振荡，但是位移时程曲线几乎呈线性变化，随着落锤下降速度减小，试件位移趋于稳定，达到峰值点；之后，由于冲击能量大部分被吸收和耗散，落锤和试件出現回弹，试件由于弹性逐渐恢复一部分变形。由图8（a）和8（b）及表1可知，随冲击高度的增大，位移相应增大，试件H1.5 L1/2较试件H1.0 L1/2相比最大位移增大了64%，残余位移也相应增大了约为60 mm。当冲击高度相同时，以1 m冲击高度为例，随着冲击位置由跨中移动至接近支座处时，对应的挠度峰值由43.43 mm减小至28.71 mm，挠度的平台值约从40 mm减小至18 mm，同时冲击持续时间约从100 ms减小至60 ms。分析表明，冲击位置为跨中时，试件变形更明显，挠度峰值更大，即跨中为最不利冲击位置。

2.4 冲击力（F）-挠度（Δ）曲线

试件承受的冲击力（F）-挠度（Δ）曲线如图9所示。冲击力在达到峰值前（以H1.5 L1/4试件为例），冲击力急剧上升，位移达到约7 mm时冲击力增长变缓慢了；当冲击力到达峰值时，试件的挠度在20 mm左右，表明试件整体有微小的变形。冲击力在峰值后急剧下降，试件挠度逐渐增大。当冲击力进入平台段，试件挠度大幅度变大，在平台阶段结束时出现最大挠度。之后，随着弹性势能的释放，试件开始回弹，由于木材刚度小，回弹时间短。

冲击力和挠度都经历了下降阶段，直到冲击力降为零，最后，试件开始自由振动，直到能量完全耗散。

2.5 纵向应变时程曲线

图10给出了试件不同位置的纵向应变时程曲线，具体的应变片布置如图2所示。应变为正表示受拉，应变为负表示受压。由图10可知，所有试件的最大纵向拉伸应变都出现在底部（S-2和S-6），应变时程曲线与冲击力时程曲线趋势相似，包括上升阶段、反弹阶段和残余阶段。在同一冲击位置，1.5 m冲击高度的应变均比1.0 m高度远远高出，表明冲击高度越高，应变也越大，如图10（a）（b）（c）（d）所示。在相同高度下，冲击不同位置的应变峰值有细微差异，说明冲击不同位置对应变的影响有限；冲击在跨中位置时，A-A截面的应变大于B-B截面，冲击在1/3位置和1/4位置时，B-B截面的应变大于A-A截面；在同一个试件中，纵向应变通常高于径向应变，在跨中截面更明显。

3 结论

1）圆木柱在横向冲击荷载作用下的整体变形表现为由受拉引起的弯曲变形；裂缝发展过程类似，首先在底部产生纵向和横向裂缝，然后迅速在侧面并往上发展，其余部位基本无破坏，整体呈V形。

2）试件承受的冲击力峰值随着冲击高度的增加而变大，但不影响冲击力时程曲线的波动趋势；随着冲击位置的改变，冲击力峰值相差并不明显，表明改变冲击位置对冲击力峰值的影响较小。

3）隨着冲击高度的增大，试件的挠度峰值、挠度平台值均相应增大；冲击位置为跨中时，试件变形更明显，挠度峰值、平台值最大，即跨中为最不利冲击位置。

4）在试验过程中使用高速相机观察到整个冲击过程，通过DIC软件得到试件的冲击挠度，并截取试件在冲击过程中3个时间段的位移云图，从云图中可以观察到试件在冲击过程中挠度变化和裂缝出现的位置。

【参 考 文 献】

[1]ZHANG J C， HUANG Y S， ZHENG Y. A feasibility study on timber damage detection using piezoceramic-transducer-enabled active sensing[J]. Sensors， 2018， 18（5）： 1563.

[2]刘伟庆，杨会峰.现代木结构研究进展[J].建筑结构学报，2019，40（2）：16-43.

LIU W Q， YANG H F. Research progress on modern timber structures[J]. Journal of Building Structures， 2019， 40（2）： 16-43.

[3]郭玉荣，李炎蓁，霍静思，等.水平冲击荷载作用下钢管混凝土柱动力响应试验与数值模拟[J].建筑科学与工程学报，2017，34（6）：28-35.

GUO Y R， LI Y Z， HUO J S， et al. Dynamic response experiment and numerical simulation of CFST columns under lateral impact load[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering， 2017， 34（6）： 28-35.

[4]李铁英，魏剑伟，张善元，等.木结构双参数地震损坏准则及应县木塔地震反应评价[J].建筑结构学报，2004，25（2）：91-98.

LI T Y， WEI J W， ZHANG S Y， et al. Double parameter seismic damage criterion on wooden structure and seismic response appraisement on Yingxian wooden tower[J]. Journal of Building Structures， 2004， 25（2）： 91-98.

[5]曾丹，周先雁，曹磊.落叶松胶合木柱轴心受压性能研究[J].工业建筑，2016，46（2）：63-67，71.

ZENG D， ZHOU X Y， CAO L. Research on the mechanical properties of larch glulam column under axial compression[J]. Industrial Construction， 2016， 46（2）： 63-67， 71.

[6]杨孝博，王解军，陈强，等.空心胶合木柱轴心受压性能研究[J].中南林业科技大学学报，2020，40（3）：153-159.

YANG X B， WANG J J， CHEN Q， et al. Study on axial compression performance of hollow glulam columns[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology， 2020， 40（3）： 153-159.

[7]OKAMOTO S， AKIYAMA N， NAKAMURA N， et al. Estimation of the perpendicular-to-the-grain tensile strength of Scots pine glued laminated timber via three-point bending tests[J]. Journal of Wood Science， 2021， 67（1）： 33.

[8]林佶.落叶松胶合木柱顺纹偏心受压性能研究[D].长沙：中南林业科技大学，2015.

LIN J. Research on the performance of larch glulam column under eccentric load along the fiber[D]. Changsha： Central South University of Forestry & Technology， 2015.

[9]ZHANG J， HE M J， LI Z. Compressive behavior of glulam columns with initial cracks under eccentric loads[J]. International Journal of Advanced Structural Engineering， 2018， 10（2）： 111-119.

[10]许清风，李向民，张晋，等.木梁三面受火后力学性能的试验研究[J].土木工程学报，2011，44（7）：64-70.

XU Q F， LI X M， ZHANG J， et al. Experimental study of the mechanical behavior of timber beams exposed to three-side fire[J]. China Civil Engineering Journal， 2011， 44（7）： 64-70.

[11]许清风，李向民，张晋，等.木柱四面受火后力学性能的试验研究[J].土木工程学报，2012，45（3）：79-85，173.

XU Q F， LI X M， ZHANG J， et al. Experimental study on the mechanical behavior of timber columns after exposure to fire on four sides[J]. China Civil Engineering Journal， 2012， 45（3）： 79-85， 173.

[12]LIU W， YU Y， ZHANG Z X， et al. Impact resistance of CFRP-reinforced wood beams under axial force using a digital image correlation method[J]. Composite Structures， 2021， 261： 113276.

[13]孙伟，何小元.数字图像相关方法在土木测试领域中的实验研究[J].南京航空航天大学学报，2009，41（2）：271-275.

SUN W， HE X Y. Experimental studies on application of digital image correlation in measuring field of civil engineering[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2009， 41（2）： 271-275.

[14]戴宜全，孙泽阳，吴刚，等.基于数字图像相关法的混凝土全场变形测量[J].东南大学学报（自然科学版），2010，40（4）：829-834.

DAI Y Q， SUN Z Y， WU G， et al. Whole-field deformation measurement of concrete structure based on digital image correlation[J]. Journal of Southeast University （Natural Science Edition）， 2010， 40（4）： 829-834.

[15]王芸芸，寇长江，胡皓天，等.基于数字图像技术的再生骨料沥青混合料骨架接触类型量化表征[J].公路工程，2021，46（1）：57-62.

WANG Y Y， KOU C J， HU H T， et al. Quantitative characterization of contact type of recycled aggregate asphalt mixture based on digital image technology[J]. Highway Engineering， 2021， 46（1）： 57-62.

[16]項胜.基于数字图像相关方法的高温后混凝土力学性能试验研究[D].荆州：长江大学，2020.

XIANG S. A DIC-based study on mechanial properties of concrete after exposure to elevated  temperatue [D]. Jingzhou： Yangtze University， 2020.

[17]JEONG G Y， PARK M J. Evaluate orthotropic properties of wood using digital image correlation[J]. Construction and Building Materials， 2016， 113： 864-869.