试验材料采用国家电网山东电力设备有限公司提供的变压器用层压木，由桦木旋切单板涂胶后，经过层积热压制成的板材，层压单板数目为奇数，同一层单板纤维方向一致，层与层间正交铺设。压缩试验试样如图1所示，每个方向各 8个，试样的尺寸为 20 mm×20 mm×60 mm（长 ×宽 ×高），试样的高度方向为受力方向。三点弯曲试样按 GB/T 9341—2008推荐，取横截面为 20 mm×20 mm，长为 300 mm，试样跨高比 l/h选用 5.5、6.5、10和 12，对应的实际跨距分别为 110、 130、200、240 mm，每种跨度均做 5个重复性试样。

本次试验选用济南精仪测试技术有限公司生产的 WDW-50型万能试验机完成。应变片选用 BX120-5AA型箔式电阻应变片，敏感栅面积为 5 mm×3 mm，电阻值为 120±0.1 Ω，灵敏度系数为 2.06%，以 502胶粘贴在试样上，常温固化。应变仪采用 XL2101B5+静态电阻应变仪，其测量范围为 0～ 3000 μm，最低分辨率为 1 μm，具有数据储存、数据回放、自动平衡等功能，可以降低木材蠕变的影响。

（1）压缩试验测弹性常数 E_i、v_ij和 G₂₃采用电测法压缩试验测量层压木弹性常数 E_i、v_ij和 G₂₃，将电阻应变片粘贴在试样上，利用电阻应变片作为传感元件，把试样的应变转变为应变片电阻的变化，再通过电阻应变仪测出应变片电阻的变化，并将其直接转化为构件的应变。该法测量应变精度较高，可达微应变级别。

在弹性范围内，试验从测试方向的非零初始载荷 P_0i开始，直至终了载荷 P_i，记录对应于载荷的应变值。根据式（ 1）计算层压木各方向的弹性常数：

式中： A_0i为试样测试方向的原始横截面积， ε_0i为测试方向的初始应变，ε_i为测试方向的终了应变。

式中： Δε_i为沿加载方向的纵向应变增量，Δε_j为垂直于加载方向的横向应变增量。

2-3平面内的剪切弹性模量 G₂₃可由下式计算得到 ^[6,15]。

式中： P₄₅ 为 45°偏轴压缩试验对应的终了载荷，Δε_45°为 45°偏轴压缩试验加载方向的应变， Δε _{⊥ 45°}为 45°偏轴压缩试验垂直于加载方向的应变。

（2）三点弯曲试验测弹性常数 G₁₃和 G₁₂测定剪切模量的方法有很多，如圆轴长杆扭转试验法、薄板扭转法、 45º偏轴拉伸（压缩）试验。文中采用 F. Divos和 T. Tanaka等人 ^[5]提出的抗弯试验法来测定层压木剩余两个剪切弹性模量。

针对跨高比在 5.5～ 20之间的试样，材料剪切模量与高跨比及抗弯弹性模量有下列关系 ^[6,15]： 2

其中： h_j试样 j方向高度（厚度）， l_i试样 i方向跨距， Δ(h_j/l_i)²是试样不同高跨比平方的差值，Δ(1/MOE)_ij是不同高跨比对应不同抗弯弹性模量倒数之间的差值。根据 GB/T9341—2008试样抗弯弹性模量可由下式计算：

其中： ΔP_j为沿试样 j方向载荷增量， Δs_j沿 j方向位移增量，b为试样宽度。

（1）压缩试验

层压木在外载荷作用下会经历弹性变形、塑性变形以及破坏三个阶段。为了确定其弹性阶段，首先进行破坏性预试验，以保证弹性常数的相关计算数据在比例极限内。根据 GB/T1041-2008推荐选用压缩预试验速率，纵向（ 1向）和厚向（ 3向）压缩预试验加载速率为 5 mm/min，横向（ 2向）及与厚向成 45°偏轴压缩预试验加载速率为 2 mm/min。由破坏性试验载荷-位移曲线确定纵向、厚向和横向压缩，以及与厚向成 45°偏轴压缩试验试样的弹性范围分别为 4～ 16、18～ 38、3～ 15和 0.6～ 3 kN。

随后进行正式试验，应变片布置如图1所示，编号如图1（a）所示。测量电桥采用等臂半桥接法，消除温度带来的误差。图1（a）为纵向压缩，加载速率为 5 mm/min，终了载荷为 15 kN，可测得层压木的 E₁、v₁₂和 v₁₃；图1（b）为厚度方向压缩，加载速率为 5 mm/min，终了载荷为 35 kN，可测得层压木的 E₃、v₃₁和 v₃₂；图1（c）为横向压缩，加载速率为 2 mm/min，终了载荷为 15 kN，可测得层压木的 E₂、v₂₁和 v₂₃；图1（d）为与厚向成 45°偏轴压缩，加载速率为 2 mm/min，终了载荷为 2.5 kN，可测得层压木的 G₂₃。在弹性范围内，对应每一个终了载荷记录应变值，根据公式（ 1）、

（2）、（3）计算其弹性模量、泊松比以及 G₂₃。

图1 试样及应变片布置示意图
Fig.1 Sketch map about specimen strain gage collocation

将三点弯曲试样置于三点弯曲夹具上，两支辊间距分别调整为 110、130、200、240 mm，加载速度按照 GB/T 9341—2008推荐选用 2 mm/min，每个跨距均做 5次重复性试验。方向 3加载可测得 1-3平面内的剪切弹性模量 G₁₃，方向 2加载可测得 1-2平面内的剪切弹性模量 G₁₂，根据公式（ 4）、

（5）计算层压木其余两个剪切弹性模量。

（1）压缩试验结果分析图2是层压木 1、2、3方向在加载过程中（预试验）典型的应力应变曲线，层压木方向 1和方向 2受载时，均经过明显的弹性段， 1方向弹性模量略大于 2方向弹性模量，当应力超过层压木比例极限时，材料中发生不可逆变化，产生塑性变形，应力应变曲线表现出高度非线性，在此塑性段，产生相同应变时，方向 1所需的应力更高，抗压强度更大。这是由于层压木单板数目为奇数，层与层之间正交铺设，在 1方向受力压缩时，最外层单板顺纹承压，试样中顺纹承压单板数目大于横纹承压单板数目，在 2方向受力压缩时，最外层单板横纹承压，试样中层压木顺纹承压单板数目小于横纹承压单板数目，而木材顺纹承压能力大于横纹承压能力，因此 1方向抗压弹性模量和抗压强度均大于 2方向。

图2 层压木各方向压缩时典型的应力应变曲线
Fig.2 Typical compressive stress-strain curves of laminated wood in all directions

在方向 3受载过程中，其应力应变曲线表现出三个阶段，在加载初期，层压木各单层板本身纤维受到挤压先后变得紧实，应力应变曲线近似呈线性特征，随着载荷的增大，层压木开始整体变形，不仅各层板纤维继续紧实，层与层之间亦被压实，变形进入应力缓慢线性增长的弹性阶段，若载荷继续增加，各层板紧实之后进入应力迅速增加区域，直至层压木断裂。

电测法压缩试验测电工层压木的 10个弹性常数如表1所示，大部分数据相对误差小于 10%，只有 E₃和 v₂₃的误差略大，在 11%左右，总体来看，试验结果的重复性较高。对于误差较高的情况，可能是由于粘合剂冷却后存在残余应力，桦木单

表1 电工层压木的10个弹性常数
Table 1 Ten elastic constant values of electric laminated wood

Maxwell定理限制，说明上述试验数据可靠有效，对电工层压木的正交各向异性模型假定合理。

（2）三点弯曲试验结果分析

将三点弯曲试验结果利用式（ 5）计算得到不同高跨比下材料的抗弯弹性模量，利用 origin软件对高跨比的平方 (h/l)²及抗弯弹性模量的倒数 1/ MOE进行线性回归分析，结果如图3和图4所示，图3为方向 3加载，高跨比平方 (h/l)²与抗弯弹性模量倒数 1/MOE之间拟合方程为 (h/l)²=121.71(1/ MOE)，二者之间相关系数为 0.998 94，层压木 1-3平面内的剪切弹性模量 G₁₃=146.05 MPa。图4为方向 2加载，高跨比平方 (h/l)²与抗弯弹性模量倒数 1/MOE之间拟合方程为 (h/l)²=455.72(1/MOE)，二者之间相关系数为 0.928 67，层压木 1-2平面内

图3 方向 3加载高跨比平方 (h/l)2与抗弯弹性模量倒数 1/MOE之间的线性回归分析
Fig.3 Relationship between the square of the depth to length ratio and the reciprocal of bending elastic modulus under direction 3 loading

（1）压缩试验破坏模式分析

在层压木方向 1和方向 2受压时，层压木破坏属于强度破坏，试样破坏时，未发生明显的弯

图4 方向 2加载高跨比平方 (h/l)2与抗弯弹性模量倒数 1/MOE之间的线性回归分析
Fig.4 Relationship between the square of the depth to length ratio and the reciprocal of bending elastic modulus under direction 2 loading

层压木在厚度方向压缩过程中，即层压木方向 3受载时，在加载初期，层压木各单层板变形，

图5 层压木受压破坏试样
Fig 5 The damaged specimens of laminated wood

（2）三点弯曲试验破坏模式分析

在弯曲试验中，构件主要发生弹性变形，仅当接近破坏时，才会出现少部分塑性变形。因此，在加载初期，跨中弯矩较小，材料处于弹性状态，应力应变成正比；当载荷达到承载力的 50%左右时，试样出现明显弯曲，伴有轻微响声；接近破坏时，试样会发出较大的声响，跨中挠度较大，破坏自受拉区边缘部位，受压区并无明显变化。

试样方向 2受载时，在跨中挠度最大处的底面所受拉力最大，破坏由此面开始，在此面中，层压木各层板均有不同程度的裂纹，属于弯曲破坏类型，如图6所示。试样方向 3受载时，底层板所受拉力最大，随着载荷的增加，达到底层板抗拉强度，底层板边缘部位破坏，裂纹向两端扩展，试样强度下降，随后，紧邻最外层板其余层板相继破坏，如图7所示。木材顺纹拉伸破坏主要由纵向撕裂和纤维之间的剪切引起 ^[16]，其顺纹抗拉强度最大，因此试验中方向 3比方向 2承载能力更大。若层压木承受弯曲载荷时，可选用厚度方向承载，但要防止易引起应力集中的木结、裂纹

图6 方向 2加载破坏试样（底面）
Fig 6 The damaged specimen of direction 2 loading (undersurface)

图7 方向 3加载破坏试样（侧面）
Fig 7 The damaged specimen of direction 3 loading (side-surface)