杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国三大主要人工林用材树种之一，是我国历史上重要的商品材，被广泛用于建造民宅，在南方随处可见用杉木建造的房屋。现代木结构建筑以其宜居、节能等优势，在我国建筑领域崭露头角，不久的将来，必将成为可持续建筑的排头兵。为了应对木结构蓬勃发展的趋势，需要大量达到标准和规范要求的木质建筑材料。据第7次全国森林资源普查结果表明，中国人工林杉木的面积约为853.86万hm²，资源巨大，因此，研究其规格材的足尺(full-size)力学性质，对开发人工林杉木作为木结构房屋材料的使用潜力、提高其产品附加值具有重要意义。

对于结构用锯材强度设计值的确定而言，由于足尺(截面尺寸接近实际应用时构件的尺寸，通常截面尺寸为38 mm×89 mm的较为常见)测试较无疵小试样(截面尺寸约为20 mm×20 mm)测试可以更准确地评估树木生长过程中形成的如树节等木材特性对足尺锯材力学性质所产生的影响，准确地反映规格材的强度、刚度及其变异性，因此足尺测试可有效地提高结构用木材的结构设计可靠性、利于木材的有效使用、避免采用较为保守的假设条件导致在确定设计值时造成材料使用性能大打折扣。

本文对目测分等后的杉木规格材进行足尺力学性质测试，进而研究其弹性模量(modulus of elasticity, MOE)、抗弯强度(modulus of rupture, MOR)、抗拉强度(ultimate tensile strength, UTS)和抗压强度(ultimate compression stregth, UCS)的相互关系，为发展国产结构用材提供参考和依据。

1 材料与方法 1.1 试材采集与试件加工

在安徽黄山林场、湖南雪峰山林场、四川洪雅县和龙林场和福建省将乐县光明国有林场4个地点采样。根据各林场林分组成、林龄、地位级、郁闭度等选出具有代表性的杉木，共选取胸径在25~32 cm、长度约为3 m的80段试验用原木，锯解得到符合要求的杉木规格材共计596根，其中安徽、湖南和四川产的471根规格材用于MOE，MOR，UTS及UCS性质测试; 福建产的125根杉木规格材只用于静态弹性模量测试。规格材尺寸规格为45 mm×90 mm×2 550 mm。

特别地，压缩强度测试的试件在杉木规格材上截取，每根杉木规格材截取2块或3块抗压强度测试试件，分别包含最大降等缺陷、次要降等缺陷。抗压强度试件尺寸规格为45 mm×90 mm×350 mm。经过窑干后杉木规格材的平均含水率约为15%，主要存在的分等缺陷有节子、斜纹理、干裂、劈裂、漏刨、钝棱等。

1.2 目测分等

通常，用于木结构房屋的锯材或规格材都须事先经过分级初步确定其质量等级，该环节是规格材用于木结构建筑的基本保障。目测分级方法的历史久远，北美的大部分结构用锯材都是采用这种方法进行等级划分的(任海青等，2006a; 郭伟等，2007)。由于《中国木结构设计规范》(GB 50005—2003)中规定的规格材等级与加拿大NLGA标准(Burnaby, 2001; 2003)中规定的规格材等级具有对应关系，但NLGA方法更易于操作，因此本研究采用NLGA分等规则对杉木规格材进行目测分等。

依据NLGA分等规则将规格材划分为SS，No.1及No.2 3个等级。受节子、斜纹理、干裂、劈裂、漏刨、钝棱等缺陷的影响，使得分等后的杉木规格材各目测等级试件的数量不完全一致，SS，No.1和No.2等级规格材的数量分别为282，145和169根，共计596根。

1.3 配组测试

为了保证进行拉、压、弯强度测试的杉木规格材具有较为接近的木质前提，依据基频振动FFT傅里叶变换分析仪测试后的动态弹性模量进行分组，在保证每组规格材动态弹性模量平均值和变异系数基本一致和试件数目均匀的前提下，将同一等级的杉木规格材划分为3组(在测试完MOE之后)分别进行足尺MOR，UTS，UCS的测试，其中159根杉木规格材进行弯曲强度测试、151根杉木规格材进行拉伸强度测试、进行压缩强度测试的杉木规格材数量为161根。

1.4 静态测试 1.4.1 静态弹性模量测试

依据GB 50329—2002测试596根杉木规格材的静态弹性模量，跨高比为18:1，采用三分点加载，跨距为1 620 mm。在0.5~1.5 kN范围内，测量抗弯弹性模量，加载速率为5 mm·min^-1。

1.4.2 静曲强度测试

依据GB 50329—2002测试159根杉木规格材的弯曲强度，跨高比为18:1，采用三分点加载，跨距为1 620 mm，选择的加载速度可以保证规格材在5 min内破坏。弯曲测试设备为岛津50 t抗弯力学试验机。

1.4.3 拉伸强度测试

由于国标对足尺试件测试时最大降等缺陷位置的放置没有明确说明，而缺陷与加载头的位置关系对测试结果影响很大，因此参考ASTM D4761对151根杉木规格材拉伸强度进行测试，保证规格材在1 min内破坏。拉伸测试设备为Metriguard Model 412拉伸试验机。

1.4.4 压缩强度测试

342块试件用于压缩强度测试，主要参考ASTM D4761进行。为防止侧弯，在测试时使用了防侧弯夹具，加载速率为2 mm·min^-1。压缩测试设备为清华大学5 t万能力学试验机。

2 结果与讨论 2.1 目测分等及力学测试结果分析与讨论

人工林杉木规格材各目测等级试件数量占试件总量的比例分别为SS等级47.31%、No.1等级24.32%、No.2等级28.36%，SS等级规格材的比例最高。节子、钝棱、漏刨是人工林杉木规格材最主要的降等缺陷。人工林杉木规格材各目测分等级力学测试结果见表 1。

分别比较表 1中SS，No.1，No.2目测等级规格材MOE，MOR，UTS，UCS的均值、5%分位值，可以发现: 4项力学指标的均值从SS到No.2等级都呈“V”形变化，MOR，UTS，UCS的5%分位值从SS到No.2等级都呈下降趋势，而MOE的5%分位值则从SS到No.2等级呈“V”形变化。其原因与杉木规格材上的缺陷分布有关:由于钝棱[钝棱是指树皮或者由于任何原因导致的锯材边角木材的缺失(特意加工出来的边角除外)]和漏刨(漏刨是指锯材刨光时表面未刨着的部分)对强度的影响较小，而No.2等级的规格材钝棱和漏刨现象较为明显，因此No.2等级强度平均值相对No.1高些。

此外，由于规格材强度的目测等级特征值通常采用5%分位值，表中MOR，UTS，UCS 5%分位值从SS到No.2等级的变化趋势与目测等级变化一致，在一定程度上可以说明目测分等的合理性。

SS等级规格材所占的比例及各项力学性质(MOE平均值为10.81 GPa，MOR，UTS和UCS 5%分位值分别为28.39，19.42和25.26 MPa)均是3个等级中最大的，说明依据NLGA分等的人工林杉木SS等级不仅具有较好的外观质量，而且具有较好的力学性质。

由于木材的强度因树种而异，同一树种又因生长地区条件不同而材质又有差别(申宗圻，1990)，因此规格材力学性质变异系数大小主要与试件尺寸、影响强度缺陷情况的复杂程度以及试件数量多少等因素有关。参考落叶松(Larix gmelinii)MOR变异系数为34.05%(王朝晖等，2009)、花旗松(Pseudotsuga menziesii)规格材MOR和UTS变异系数分别在30%~40%(Robert et al., 2008)与30%~50%之间(Green et al., 1990)，Roman与Danto规格材UCS变异系数分别在10.7%~31.8%与15.7%~36.7%之间(Green et al., 2006)，故比较认为:本研究中3个目测等级杉木规格材MOR，UTS，UCS的变异系数平均值分别为29.40%，27.11%，14.05%，较符合结构用大尺寸木材变异性大的特点，试验数据具有代表性。

2.2 各目测等级MOE，MOR，UTS，UCS方差分析

从各目测等级杉木规格材MOE，MOR，UTS及UCS单因素方差分析可知:人工林杉木3个目测等级的MOE值在0.01水平差异不显著，MOR，UTS，UCS值在0.01水平差异显著。NLGA目测分等方法可以很好地将人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS划分为SS，No.1，No.2 3个等级。

2.3 足尺力学性质MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE相互关系分析

目前，很多研究表明杉木人工林无疵小试件力学强度与其MOE之间具有很好的相关性(任海青等，2006b; 鲍甫成等，1998)。本文采用相关和回归分析方法研究人工林杉木规格材各目测等级MOR，UTS，UCS与MOE之间的关系，结果表明各目测等级MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE回归关系和MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE总体回归关系及决定系数及相关系数汇总于表 2。

经分析比较可知:各目测等级人工林杉木规格材的强度与刚度正相关，除No.1等级MOR-MOE，UCS-MOE决定系数(R²)为0.152 4，0.119 2较低外，其他均较高，说明人工林杉木规格材强度与刚度之间具有很好的相关性。总体而言，MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE相关系数r分别为0.59，0.57，0.54，呈显著相关，杉木比Danto与Ramon 2种树种相同尺寸规格材的MOR-MOE相关系数0.49，0.48高(Green et al., 2006)。回归分析还表明: No.1等级的MOR，UTS，UCS与MOE线性相关性较之SS等级和No.2等级的差; SS等级的MOR，UTS，UCS与MOE线性相关性与相应总体回归结构最为接近。主要原因为: SS等级的试件数量相对较多，对总趋势的贡献较大，因此SS趋势线与总趋势线较为接近。No.1等级降等缺陷主要是节子，节子对规格材的抗拉强度和抗弯强度影响较大，但是对弹性模量的影响较低，因此，No.1等级的MOR, UTS和MOE线性相关性较低。该研究结果与北美对其No.1与No.2等级规格材强度要求没区别，只在外观有差别。

2.4 足尺力学强度MOR-UTS, MOR-UCS, UTS-UCS相互关系分析

鉴于人工林杉木规格材弹性模量与强度具有很好的相关性，在弹性模量平均值相近的前提下，对MOR-UTS, MOR-UCS, UTS-UCS关系进行分析，分析用数据列于表 3中。

根据表 3的数据，计算各弹性模量范围内三者比值的平均值，可以得到MOR, UTS, UCS 3种力学强度两两之间的定量关系。SS等级MOR:UTS:UCS=1:0.60:0.62;No.1等级MOR:UTS:UCS=1:0.55:0.67;No.2等级MOR:UTS:UCS=1:0.58:0.64。在相同弹性模量条件下，MOR，UTS，UCS 3种力学强度比值与从表 1得到的MOR，UTS，UCS 3种力学强度5%分位值之比相差较大(SS，No.1，No.2各目测等级MOR，UTS，UCS 5%分位值比值分别为1:0.68:0.89，1:0.67:1.07，1:0.61:1.07，平均比值为1:0.65:1.01)，但表 1中各目测等级MOR，UTS，UCS平均值之比与表 3的结果类似(SS等级为1:0.61:0.71，No.1等级为1:0.60:0.72，No.2等级为1:0.58:0.62)，说明对于杉木人工林规格材而言，5%分位值与平均值相差较大。

当试件数量较少时，5%分位值受试件数量影响较大，不宜采用3种力学强度5%分位值之比作为判断各力学强度间定量关系的依据，而相同弹性模量范围内各强度比值可以反映人工林杉木规格材弯曲强度、拉伸强度及压缩强度间的定量关系。由此得出:相同弹性模量范围内，人工林杉木规格材弯曲强度在3种强度中最大，压缩强度次之，拉伸强度最小，压缩强度与拉伸较为接近; 不同目测等级3种强度的平均值比值略有差异。

回归结果表明: SS，No.1，No.2等级MOR，UTS，UCS 3种力学强度两两之间呈正线性相关，决定系数R²较高，在0.517 1~0.991 1之间，相关性显著(图 1)。不分等级情况下，MOR-UTS，MOR-UCS，UTS-UCS回归相关系数r分别为0.59，0.92，0.59(决定系数R²分别为0.353 3，0.837 8，0.352 6)，说明人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS 3种力学强度之间存在较强的相关性。

3 结论

人工林杉木规格材各目测等级试件数量占试件总量的比例分别为: SS等级47.31%，No.1等级24.32%，No.2等级28.36%，SS等级规格材的比例最高。节子、钝棱、漏刨是人工林杉木规格材最主要的降等缺陷，其中节子是从SS等级降为No.1等级的主要降等缺陷。

人工林杉木规格材的MOE，MOR，UTS，UCS平均值从SS到No.2等级都呈“V”形变化。5%分位值(除MOE外)从SS到No.2等级都呈下降趋势，符合木结构设计规范对规格材目测等级的要求。

人工林杉木3个目测等级的MOE值在0.01水平差异不显著，MOR，UTS，UCS值在0.01水平差异极显著。NLGA比较适用于人工林杉木，依据NLGA分等规则，人工林杉木大部分可以划分为SS等级，具有较好的外观及力学性质。

No.1等级的MOR，UTS，UCS与MOE线性相关性较SS和No.2等级的差，SS等级的MOR，UTS，UCS与MOE线性相关性与相应总趋势最为接近。总体而言，MOR-MOE，UTS-MOE，UCS-MOE相关系数r分别为0.59，0.57，0.54，呈显著相关，人工林杉木规格材强度与刚度间具有很好的正相关性。

SS，No.1，No.2等级MOR，UTS，UCS 3种力学强度两两之间呈正线性相关，R²较高，为0.517 1~0.991 1，呈显著正相关性。综合而言，MOR-UTS，MOR-UCS，UTS-UCS回归决定系数R²分别为0.353 3，0.837 8，0.352 6。人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS 3种力学强度两两之间相关性较好。

相同弹性模量范围内，人工林杉木规格材MOR，UTS，UCS比值分别为: SS等级MOR:UTS:UCS=1:0.60:0.62;No.1等级MOR:UTS:UCS=1:0.55:0.67;No.2等级MOR:UTS:UCS=1:0.58:0.64;不分等级总体MOR:UTS:UCS=1:0.58:0.64。弯曲强度在3种强度中最大，压缩强度次之，拉伸强度最小，压缩强度与拉伸较为接近; 不同目测等级3种强度的平均值比值略有差异。