全 文 ：第 6卷 第 3期
8 7 1 9年 7月
竹 子
J O UN RA L OF
研 究 汇 刊
E RS EA RH C
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.
6
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N o
.
3
J
u l
. , 1 9 5 7
角竹竹材物理力学性质的研究
蔡纫秋 汪奎宏
(浙江省林科所 )
摘 要
根据 2 4株 i ~ 8 年生角竹 ( p h g l l o s t a e h , 5 f fm b, i l ig u l a W e n . )竹
材测 定和分析 的结果如下 :
角竹竹材横断 面的不 同分割对顺 纹抗压强度有极显著的影响 。
1
八 盏 , _ , 1 1 1 , 、 _ , * * ` , , . 二 , , , 、 一 , 。 * 、 。 , _ ~毒扮分钊对令 、 舟 、 专和整环 4 个分割水平的抗压 强 度 都 具 极 显
1 6 ” 一 ” 8 . 4 ’ 2 ’ 一 ’ 一 ” 一 ” ” ” 一 ` 一 ’ 一 ’ ` 、 ` - - 一
~ ` , 1 八 、 、 _ 、 1 1 , 、 , , 、 ` _ 。 ~ 一 」 , 1 1 、 、 、 ` L`著差异 , 令分割衬今、 令分割和整环具 显著差异 , 今 、 令分割与整啊 一 ” ` 8 一 ’ 一” 4 ’ 2 一 ’ 一 ” 一 ’ ` ’ 一闪 一 ’ ` 4 ’ 2 “ 一 ” 一
环之间没有明 显差异 。 角竹竹材的含水率与顺纹杭压 强度的关系为 :
D w = 1 5 0 3珠 一 “ ` “ 4 6 7。
竹材的物理力学性质 与竹龄有密切关 系。 竹材的公定容量 、 顺
纹杭压 强度 、 顺 纹杭拉强度 、 杭弯强度都随竹龄增 加 而 增 加 , 至
6 ~ 7 年生达最大值 , 7 年以 后略有下降 ; 干缩性随竹龄增加逐渐减
少 。 竹材的物理力学性质与年龄的关系可 以 用抛物线方程 : Y 二 a +
bX +
c X
“ 来拟合 。
同一竹杆不同部位的物理力学性质不同 , 杆茎由下至上 , 公定
容积逐渐增加 , 而 力学强度亦相应提高 。 角竹竹材 ( 用 了年生比较 )
的顺纹抗拉 强度为 2 1 0 7k g / e m Z , 高于衫木 6 7 4k g / e m Z 、 马尾 松 7 3 9
k酬 e m Z 、 毛竹 1 8 7 7k g / e m Z 和早竹 8 5 7k g / e m Z ; 其顺纹抗压 强 度 为
5 3 8k g /
e耐 , 高于衫 木 4 0 9 k g / e扩 、 马尾 松 3 2 9k以 e m Z 、 早 竹 3 0 3
k g /
e m
Z 、 与毛竹 5 3 9k盯 e m Z相 近 。
关键词 角竹 ; 物理力学性质 ; 抗弯强度
竹材的物理力学性质是竹材重要的质量指标 。 本文研究了角竹 ( p h川l。 -
本文于 1 9 8 6年 1 1月收到 。
本试 验由浙江大 学提供木材试验机 , 采祥过程中 , 得到上食县农 委林业站马青松 同志及
长塘 乡农科站的协助 , 在此一并致谢 。
3期 蔡纫秋等 :角竹竹材物理力学性质的研究
s ta c h夕 5 fi m b, i l ig u l a W e n ) 竹材的公定容重 、 干缩系数 、 顺纹抗压 强度 、 弦
向抗弯强度 、 径向抗弯强度的大小及其变化规律。
一 、 试材的采集与加工
1 9 8 6年 10 月 , 我们在浙江省上虞县长塘角竹林中采集标准竹 24 株 , 按竹
子生长年龄 ( 1 一 8 年 ) , 每龄砍伐 3株 , 在早竹园中砍伐 3年 生 标 准竹 3
株 。 每株标准竹必须生长正常 , 无病虫害 , 胸径差异不大 , 砍口齐地 , 从砍
口 向上取 5 米 , 并截成 l 米长竹段 , 编号运回 , 标准竹情况见表 1 。
表 1 标 准 竹
aT b l
e l
。
S t a n d a r d
情 况
B a m b
o o s
种名 胸 径 杆 重 高 度
平均值 ( X ) 标准差 ( S n一1 ) 平均值 ( X ) 标准差 ( S n一1 ) 平均数 ( X ) 标准差 ( S n 一 1 )
角竹 4 . 6 r m 0 . 4 1 2 8 3 . 6 3 k g 0 . 7 2 5 4 7 。 2 5m 0 . 8 6 34
早竹 4 . SCm 0 . 2 51 7 3 · 0冬k g 0 . 3 6 8 9 6 。 1 sm 0 . 5 3 32
1
. 试件的截锯部位
为了保证各种试件取自竹杆上相对一致的位置 , 每一段试材自基部至上
部截锯试件的顺序为 : 容重 、 干缩系数试件 、 顺纹抗压试件、 顺 纹 抗 拉 试
件 、 抗弯 (弦 、 径向 )试件 。
2
. 试件的规格与要求
( 1) 测定容重 、 干缩系数 、 顺纹抗压的试件规格 : 20 x 20 x t (t 为竹 壁
厚度 , 单位为~ )( 图 I A )
。
( 2) 测定顺纹抗拉强度 的试件规格 : 20 x 26 0 x t , 破坏断 面 为 4 x (t 图
I B )
。 顺纹抗拉 强 度 的 试 件 ,
其夹紧的两端原规定为 20 毫米 ,
因竹径小 , 20 毫米的弦长间的竹
壁为圆弧形 , 且竹壁较薄 , 故 当
试验机夹具夹紧受力时 , 夹紧部
位首先剪裂受到破坏 , 影响抗拉
强度的测定 , 故视竹壁的厚薄 ,
宽度适 当缩小 , 以测定时 , 不在
两端拉断为度 , 并把两端适当刨
平 。
卜: o刊
1 一 A
e 4 竹 子 研 究 汇 刊 6卷
l
州
{乍`~一 _
卜— .一— 一 3。。—1 一 (二图 1 竹材物理力学溯定试件F ig . 1 Ph y s i e o 一 m e e ha n i e a l T e s t S a m p l e s
A
. 千缩性 、 含水率 、 公定容 积、 抗压强度试件 , B . 顺 纹抗拉强度试件 , C . 抗 弯强度试件 ,
( 3 ) 测定抗弯强度试件规格为 : 10 x 3 0 0 x t (图 x C ) 。
二 、 试 验 方 法
1
. 竹材物理性质的试验方法
公定容积重 、 干缩性的测定均按国家标准《木材物理力学试验方法》的规
定进行 。
2
. 竹材力学性质的试验方法
根据以往资料报道 : 竹材的含水率在 30 % 以下时 , 其抗压强度因含水率
的减低而增加 , 在 30 %以上时 , 其强度变化不大 , 而且测得强度较低 , 在各
种条件下使用 , 都有可靠保证。 因此 , 我们所作的抗压 、 抗拉强度都在竹材
具最大含水率的情况下进行 。
由于角竹和早竹竹材的竹壁较薄 , 韧性好 , 按标准方法无法测定竹材的
弦 、 径向抗弯强度 , 即在 24 。毫米跨距下 ,竹材只能压弯而不能破坏 , 因此 , 我们
采用缩小一半跨距 ; 并把加工的试件充分浸泡 , 统一在 80 ℃ , 鼓风的条件下
烘干测定。 采用双点加荷 , 加荷速度为 kZ g s/ 。
力学强度的测定均在浙江大学国产木材万能试验机上进行 。 每一试件在
测试前用卡尺测定实际长度 、 宽度和厚度 , 精确至 0 . 1毫米 。 并按下列 公 式
3期 蔡纫秋等 :角竹竹材物理力学性质的研究
计算
( 1)顺纹抗压强度 (D w)的计算 :Dw = -黔终
D入 t
(2)顺纹抗拉强度 ( Ew)的计算 :。 _ 几“公 W一 下万了叮了三二尸
D有效 入 T
() 3抗弯强度 ( Bw)的计算 : B弦 =几 一二 X L
tx b念
B径 =几。 二 X L
bx t
么
以上各式中 , 几 . 二 为最大荷载 ( ( k g ) , b 为试件宽度 ( 。m ) , t 为竹壁厚度
( c m )
,
L为试验机上支座间的距离 ( 12 c m ) 。
以上各式中 , b x t 是按距形计算的破坏断面积 , 而竹材试件的实际破坏
断面是弧形 。 当试材外径小于 s c m时 , 最大误差率均大于 5 . 3 21 % 〔 1 〕, 因此
改用定积分计算破坏断面面积 , 即
s^
。一狱: `“ 豆丁万叮~ 一 “ 瓦兀万万 )` ·
二 Z
J:
“ ( 、 豆不一玄J 一 “ 刃万了J ) d ·
三 、 试验结果与分析
1
. 竹材横断面的分割对顺纹
抗压强度的影响
为了了解竹材横断面的不同程
度分割对顺纹抗压强度的影响 , 我
们选择 3 年生角竹 3 株 , 都从 1 . 05
米高开始 , 截锯高为 2 厘米的圆环 ,
编号后 ,测量横断面积 。分别取整环 、
1 1
2
、
4 试件各 8 个 , 共8 、 16
4 0个试件。 试验结果列于表 2 。
根据表 2 资料进行方差分析。
现将计算结果列入方差分析 表 (表
图 2 试件搜切面面积积分计算示意
F ig
.
2 S e h e m a t i e D i a gar m
o f 玩 e gar l
o n C r o s s eS e t i o n A er a o f t h e
sa m P l e
3 中 ) 。 表 3 中 F> F 。 . 。 1 , 这说明试材横断面分割对抗抗压强度有极显著影响 。
在 5 种分割水平中 , 究竟哪两个水平之间差异显著 , 哪两个水平之间差异不
显著呢 ? 我们用 q 检验法进行多重比较 。 由已知数据计算得 :
最小显著差 D 。 : 。 6 (之二言5) = 6 2· 9 4 , D 。 : 。 1(之二雪5)· 7 7 · 16
6 6 竹 子 研 究 汇 刊 6 卷
表 2 竹材不同分割断面的杭压强度
T a b l e 2
.
C o m p r e s s i o n S t r e n g t h o n D i f e r e n t PS l i t t i
n g s k g / e m
Z
1 / 16
5 9 9
55 7
5 2 4
5 3 5
5 3 5
54 1
4 78
4 77
:::
qé。05任`J上比」O。nUt`,白n`弓d几QJ从3任`内口八石
n甘。U八l几叮. J任冉七,五口Ut`n已月Ql丹OJ任O通ùd孟`任月从扮匕J性d,On.o吵Q九甘舀é八O`1`任内O砚b`已nUJ吸JQō月OJ,dù匕工ó以组,口通月任,丈1`口ldót了Rù阳即了度月ù,曰民七n`J公Ubo一ó尸勺J任匕心亡d工bl口
抗 压 强 度 平 均 值
试 。 次 数 }
8
{
8
{
8 … ` ) “
}
一鲤矍毕坠川-翠掣共- 掣擎李竺续华燮兰卜墅塑竺塑卫一 全竺竺些二二竺旦竺上二二型竺匕全望 i二竺一卜严赘宾竺下共王1搜些二}二 i二i二竺上2 1鲤生匕 1111竺
{ 准确指数 ( 犷 % ) ! “ · 1 1 8 4 { 2 · “ 2 4 5 } 2 · “ 5 2 5 } 4 · 8 6 4 1
3 7
.
9 0 0 0
9
.
7 9 01
1 3
.
3 9 97
3
.
4 61 3
计统指标
表 3 试材横断面分割方差分析
T a b l e 3
.
F T e s t o n SP l i t t in g s
方差来源 平 方 和 自 由 度 均 方
分 割 1 14 5 6 3 . 9 2 86 4 0 . 9 8 1连. 9 7
6 6 9 5 4 1 9 1 2
.
9 7
F 。一 ( {:二鑫) = 2 . 6 5
F 。一 ( {; :鑫) = 3 . 0 3
总 和 1 81 5 1 7 。 9
将各分割水平的抗压强度平均值按大小秩序排列后 , 进行逐个 比较 , 列于表 4 。
由表 ` 分析表呱 命分割对其余 ` 个分割水平的抗压强度都具极 显 著
差异 , 粤分割对半、 冬分割和整环具显著差异 , 弃、 冬分割和整环之间没有一 ` ” 8 ~ 一 “ 一 ` 4 ’ 2 尸 ’ 曰 ` ” 一 “ 、一 ~ 一 ` ’ ` 4 ’ 2 ~ ” ` ’ ` 一 ” 一 ’ “ 一 “
明显差异 。
2
. 竹材含水率对顺纹抗压强度的影响
为了了解竹材含水率对顺纹抗压强度的影响 , 选取三年生竹材 , 从 1 米高
开始选材制作抗压试件 60 个 , 其中角竹 30 个 , 早竹 30 个 , 各分成 5 组 , 分另}J
3 期 蔡纫秋等: 角竹竹材物理力学性质的研究 6 7
表 4 竹材不同分创断面的 q检验
Ta l b
e4
.
Q T s e to n Sp l i t ti ng s
又i一又 5 又i一又4 又i一夭3 X 1!一…;|
合: x ` = 53 8 1 51 . t 7 0 . 4 8
1 4 7二 66 * 4 4
1 0 3二 2 2
;X 4
= 4 6 8 81二
- 1
- :
X S
= 3 3 7
1 6
调节成不同含水率后 ,
表 5
进行抗压强度试验。 结果列于表 5 、 表 6 。 由表 5 、
角竹竹材含水率与顺纹抗压强度的关系
T a b l e 5
.
R e l a t i o n b
e t w e e n M o i s t ur e oC
n t e n t a n d oC m p
r e s s i o n
S t r e n g t h o f P h
.
f l’m 右: f l ig u l a
含 水 率 (% ) 】 1 · , 7 … 了· 68 1 。 · 3 3 … 28 · 37 { 8 2 · 3 6
抗压强度 ( K g /。 m Z》 … 1 2 0 5 } , : 7 2 … 1 0 6 : 1 5 0 6 … ; 。。
试 。 次 数
{
6 … 。 J 6 j 6 { 6
, }
士。
}
; 3 7
.
32 5。 } 4 5
. 。` s。 } : 。
.
1 78: }
: 3
.
2 05 1 ! 5 7
.
7 03。
计 I V ( % ) } 1 1 . 39 4 9 } 4 . 1 75 2 } 7 . 1 32 8 { 4 . 60 4 4 一 1 1 . 5 9 1 4
侧 } 士 五1 1 5 6 . 0 6 39 { 1 9 。 98 2 9 } 3 1 . 0 99 8 } 9 ` 5 1 1 4 } 2 3 . 5 8 2 0
} p (% ) } 魂
· “ 5 2 6 { 1
·
7 0 5 0 {
“ · ” 12 0 { 1
·
8 7 9 8 」 4 · 7 35 3
表 6 早竹竹材含水率与顺纹抗压强度的关系
T a b l e 6
。
R e l a t i o n b
e tw e e n M
o i s t u r e C o n t e n t a n d C o mP
r e s s i o n
S t r e n g t h o f P h
。
p , oP f
n至u a
含 水 率 (% ) 0 . 6 1 6 . 3 0 8 . 23 2 5 . 51 7 8 . 4 7
抗压强度 ( K g c/ m Z ) 9 7 4 8 9 8 8 5 6 3 4 5 3 0 3
土 6
V (% )
士 M
P (% )
9 3
.
3 4 8 8 1 23
.
4 8 0 2 1 0 6
.
1 2 3 4 9
。
7 2 4 5 5 0
。
1 1 0 5
9
.
8 5 7 3 1 3
.
7 5 31 1 2
.
3 9 5 2 2
.
81 73 1 6
.
5 5 63
3 8
.
1 0 9 5 50
.
4 1 0 6 4 3
.
3 2 4 7 3
.
97 0 0 2 0
.
4 57 5
4
.
0 2 4 2 5
.
6 1 3 7 5
.
0 61 3 1
.
1 50 7 6
.
7 51 7
计统指标
6 8 竹 子 研 究 汇 刊 6 卷
表 6 可见 , 角竹和早竹的竹材的顺纹抗压强度都随含水率的提高而降低 。
从表 5 、 表 6 的数据可见 , 竹材含水率在30 %以上时 , 顺纹抗压强度较
为稳定 , 将测定的数据用最小二乘法求得的回归方程为 :
角竹 : D w = 1 5 0 3珠 一 。 · 2 `已7 , r 二 一 0 . 5 6 2 9
早竹 : D w = 1 0 6 9珠一 。 , 2 。昌。 , r = 一 0 . 8 4 6 5
3
. 竹子年龄对竹材物理力学性质的影响
研究竹子年龄对竹材物理力学性质的影响 , 不仅对竹材利用有现实的意
义 , 而且对竹林培育和确定竹子合理砍伐年龄亦可提供依据 。 把测定数据集
中整理列于表 7 中 , 由表 7 可见 。 竹材的公定客积 ,弦向 、 径向抗弯强度 , 顺纹
抗压强度 , 顺纹抗拉强度都随年龄的增加而增加 , 到 5 一 7 年后略有下降趋
势 。 为了进一步寻找竹材力学性质的变化规律 , 用最小二乘法求出各项力学性
质与竹林的关系式及 F 值 。
( 1) 公定容积 ( R )与竹林 ( A )的关系 :
R = 0
.
5 7 4 0 + 0
。
0 19 0A 一 0 . 0 0 0 7A 2 , F = 10 . 4 3 4 0 ) F 。
. 。 5
( 2 5 ) = 5
.
7 9
( 2) 体积干缩性 ( V )与竹龄 ( A )的关系 :
V = 16
.
6 1 6 8 一 0 . 8 4 8 8A + 0 。 0 3 5 7 A 2 , F = 9 。 3 4 7 6 ) F 。
. 。 5
( 2 5 ) = 5
.
7 9
( 3) 弦向抗弯强度 ( B弦 )与竹龄 ( A )的关系 :
B弦 = 1 0 7 0 . 2 3 2 1 + 1 8 7 . 4 3 4 5A 一 1 3 . 7 0 8 3 A 2 , F 二 5 。 5 8 5 3 > F 。 . 2 。 ( 2 5 )
= 3
。
7 8
( 4) 径向抗弯强度 ( B径 )与竹龄 ( A )的关系 :
B径 = 5 7 0 。 8 7 5 0 + 2 0 2。 4 2 2 6A 一 1 2 。 0 0 6 0A 2 , F = 1 1 . 8 9 0 8 ) F 。 . 。 5 ( 2 5 )
= 5
。
7 9
( 5) 抗压强度 ( D )与竹龄 A的关系 :
D = 4 3 5
.
3 3 9 3 + 1 7
.
8 2 7 4A 一 0 . 7 9 1 7A 2 , F = 12 。 7 5 0 8 > F o . 。 。 ( 2 5 ) =
5
。
7 9
( 6) 顺纹抗拉强度 ( E )与竹龄 ( A )的关系
E = 9 8 2
。
3 0 3 6 + 1 7 1
。
3 5 1 2A 一 4 . 3 6 3 1A 2 , F = 3 9 7 。 5 0 5 1 ) F o
.
o x
( 2 5 )
二 13 。 3
求上面各式的二阶导数 , 可知公定容积 、 静曲强度 、 抗压强度 和 抗 拉 强
度关系式的二阶导数都小于 。 , 故有极大值 ; 体积干缩性的二阶导数大于 。 ,
故 有 极 小 值 。 求上面各式的一阶导数 , 并分别令其一阶导 数 等 于 0 , 求
出各性质指标的极值点 , 就是各物理力学性质达到最大或最 小 时 的竹龄 。
现将各极值和各物理力学性质与年龄关系的理论值列于表 8。 由表 8 可见 : 角
竹竹材达到极值点的年龄在 6 年以上 。 表中各极值点的极差较大 , 是 由于经
营习惯 , 难以采集 8 年生以上角竹试材 , 至使回归曲线极值数据参差 。 据实
3期 蔡纫秋等 :角竹竹材物理力学性质的研究 6 9
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7 0竹 子 研 究 汇 刊 6卷
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3期 蔡纫秋等 :角竹竹材物理力学性质的研究
表 8角竹物理力学性质与竹子年龄关系理论值
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年 龄
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测结果 , 竹龄 6 一 7 年 , 各项物理力学性质指标均达极值点 。 这说明 , 在竹林
培 育中 , 角竹的采伐年龄应在 6 一 7 年生 。
4
. 竹秆部位对竹材物理力学性质的影响
同一竹秆不同部位竹材的物理力学性质是不 同的 。 一般来 说 , 自竹 秆 基
部至顶部 , 竹材的含水率逐步降低 , 容重逐步增大 , 力学强度逐步增高 。 我
们选取 3 年生角竹竹材 , 以 1 米长为区分段 , 制作试件 。 测定统计结果列于
表 9 。 选定二次曲线为拟合模式 , 用最小二乘法求得各物理力学性质的数学
模型 。
表 9 角竹竹杆不同部位竹材的物理力学性质
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( 1) 公定容积 ( R )与部位 ( H )的关系 :
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.
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. 。。
( 2 2 ) = 1 3
.
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( 2) 含水率W%与部位 H 的关系 :
W ( % ) = 9 2
。
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= 9 9
。
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( 3) 弦向抗弯强度 ( B弦 )与部位 ( H )的关系 :
B弦 = 10 9 8 . 2 + 2 4 8 . 0 7 1 4 H 一 2 6 . 9 2 8 6 H 2 , F = 3 9 . 5 5 5 6 > F o : 。 5 ( 2 2 ) =
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72 竹 子 研 究 汇 刊 6卷
() 4径向抗弯强度 (B径 )与部位 (H)的关系 ;
B径 =8 4 0.8 0 0 0+ 1 3 3。 72 4 9H一 0.8 5 7 1H么, F = 3 8 . 6 4 8 7 ) F 。 ; 。。 ( 2 2 )
= 1 3
。
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(5 ) 顺纹抗压强度 ( D )与部位 ( H )的关系 : ’ i
D = 4 9 3
.
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. 。 5
( 2 2 ) 二 13 . 0
上述五个回归式 , 其 F 值都大于危险率百分之五以下 , 可见都具有良好的
代表性 。
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。 角竹竹材与其他竹材和木材力学强度的比较
为进一步说明角竹竹材的特性 , 将竹材常用木材 的主要力学强度列于表 必
1 0
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表 10 竹材 、 木材力学强度 比较
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顺 纹 抗 压 强 度 顺 纹 抗 拉 强 度一 O口O叮ōIQ,Jn西八U,工ù1勺曰U仁口J肠,曰ùó一合勺d角 竹 ( 7 年生 )杉 木马 尾 松木 荷毛 竹 ( 7 年生 )早 竹 ( 3 年生 ) 2 1 076 7473 99 1518 7 78 5 7由表 10 可见角竹的顺级抗拉强度 、 顺纹抗压强度都高于杉木 、 马尾松 、
木荷和早竹 , 与毛竹相差不大 。
参 考 文 献
以 〕 周芳纯 1 9 82 竹材物理力学性质的研 究 南京林学院学报 No . 2
2[ 〕 李云莲等 1 98 3 贵州毛竹竹材物理力 学性质的测定 竹类研究 N 。
〔 3〕 国家标准 ( G B ) 1 9 8。 木材物理力学试验方法
3期 蔡纫秋等 :角竹竹材物理力学性质的研究 3 7
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