運用斷裂力學預測木材的強度

木材強度是木材利用的一個最重要的指標，其強度受許多因子的影響，裂紋即為其一。具有裂紋的木構件受力后，將在裂紋尖端區域產生局部應力集中現象，如果集中應力大于其臨界裂紋的擴展需要的力，裂紋將會擴展，隨應力增加或長時間作用，可能會導致斷裂。對于臨界裂紋擴展可以運用斷裂力學預測：①計算強度因子；②測定木材的斷裂韌性；③選取合理的斷裂判據。存在裂紋的木結構，受載荷時應力在裂紋尖端附近高度密集，離裂紋尖端稍遠處，應力分布又趨于正常。這種應力集中程度由裂紋尖端的曲率半徑決定，曲率半徑越小，應力集中程度越高，使得木材實際斷裂值要遠小于木材理論斷裂值。

干燥的木材可以認為是脆性材料，尤其在橫紋拉伸荷載時，線彈性斷裂力學LEFM是一個理想的預測破壞的理論基礎。Wu (1965)最早將LEFM應用到木材去，預測含裂紋木材橫紋抗拉強度和順紋抗剪強度，同時還提出了一個在混合應力模式下的預測破壞的經驗模型。以后LEFM大量應用到木材及木質復合材料的強度預測中去。

木材由于樹節、切口裂縫或其他不連續性引起應力集中，斷裂力學可以對其起裂進行合理的預測。包含樹節的板材強度用兩種方法可以推算：其一，用“等量裂紋長度代替樹節，表示與含樹節試樣發生初始開裂相同的應力水平的無疵試樣產生斷裂的裂紋長度，但此方法僅適用于順紋拉伸荷載。其二，是直接模擬樹節和相應的紋理偏斜，用斷裂力學模擬在最大載荷作用下的拉伸斷裂。同樣，含裂紋板的橫紋抗拉強度也可用Ke進行推算，研究表明，Kic的分布與橫紋抗拉強度的分布有關，臨界裂紋也影響板材的橫紋抗拉強度。

含有樹節、切口、邊裂或端裂的板材的抗彎強度也可以用斷裂力學進行推算，即使在順紋應力狀態下，裂紋沿與切口垂直的方向擴展，斷裂力學依然能夠預測帶切口試樣的強度。在研究不同端裂長度對木梁抗彎強度的影響時，得到不影響短期強度的最大允許端裂長度，此項研究成果被加拿大標準協會《木材機械設計》引用為抗剪設計。Barrett和Foschi用斷裂力學對端裂梁的強度降低進行預測，一般而言，具端裂紋的梁其斷裂常常是混合模式，Murphy于1979年對端裂梁也提出了一個簡單的斷裂方程。

木材及人造板膠接強度也可用斷裂力學預測。Jung和Murphy運用斷裂力學提出了端接的合理位置和單板厚度對板材強度的影響。Leicester和Bunker研究了單板厚度與層積板強度之間的關系。此后，許多木材學家繼續研究端接、搭接強度。斷裂力學對木材強度的預測具有很好的前景，特別是木材作為建筑用材方面。但這方面的研究剛剛起步，仍然需要大量試驗來驗證和深入研究，并推導出更簡便合理的預測方法。

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