木箱包裝標準講解（一）木材的許用強度
木材的許用強度是木包裝箱設計時的重要依據(jù)。關于木材許用強度的確定，這是一個比較復雜的問題。一般資料，如《中國主要樹種的木材物理力學性質》所給出的木材強度是采用沒有缺陷，含水率為15%的木材，對其施加靜載荷，測其強度數(shù)據(jù)的平均值，此稱為試驗強度、標準強度或極限強度。
但是，由于木材總是存在著這樣或那樣的缺陷，而且即使是同一樹種，產地不同、樹齡不同、取材部位不同，其強度亦不同。再考慮到木材的木節(jié)和紋理，因干燥而收縮，對于公稱尺寸的實際尺寸大小，以及木箱在儲運過程中所受到的沖擊等因素。所以，在設計木箱時不能直接套用木材的試驗強度，而必須將試驗強度打個折扣，換算成許用強度或設計強度。
至于這個折扣如何打，則與木材本身的情況和使用環(huán)境條件等有關，但由于考慮的方法不同而各有差異。所以，不同的標準、設計手冊等資料中有不同的計算方法。
1. 日本包裝用木箱標準對木材許用強度的規(guī)定
首先，從試驗強度計算出木材的基本強度：
基本強度=試驗強度×變異率×沖擊載荷系數(shù)
其中：
變異率是指由于木材的不均一性、因干燥而收縮以及相對于公稱尺寸的最小尺寸所產生的強度降低常數(shù)，取值3/4。
沖擊載荷系數(shù)是指相對于靜載荷，對起吊、跌落、振動等沖擊載荷的安全系數(shù)，取值1/3。
因此，基本強度的計算公式如下：
基本強度=試驗強度×3/4×1/3=試驗強度×1/4
然后，木材的許用強度是從基本強度減去木材缺陷所造成的降低率而得到的強度。木材缺陷的強度降低率如表1所示。計算時只考慮降低率較大的一方。
表1 木材強度的降低率 (%)
順 紋 抗拉強度 | 順 紋 抗壓強度 | 抗彎強度 | |||
徑向 | 弦向 | ||||
木節(jié)及 群生節(jié) 的大小 | 材寬的1/4 | 25 | 13 | 25 | 43① |
材寬的1/3 | 33 | 17 | 33 | 53① | |
材寬的1/2 | 50 | 25 | 50 | 74① | |
紋理的 傾斜度 | 1/20 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1/15 | 24 | 0 | 24 | 24 | |
1/10 | 39 | 26 | 39 | 39 | |
1/8 | 47 | 34 | 47 | 47 | |
1/6 | 60 | 44 | 60 | 60 | |
① 材寬的面，在材長方向的中心附近有木節(jié)時；
② 木節(jié)和群生節(jié)直徑的測定如圖1所示；
③ 紋理傾斜度的測定如圖2所示。
注：上表是根據(jù)美國農業(yè)部林產試驗所發(fā)表的數(shù)據(jù)。
1）許用抗彎強度的計算
在日本，包裝用的木材一般是輻射松、鐵杉、落葉松等，其中試驗強度最低的是輻射松，其抗彎的試驗強度為68.65MPa。因此，基本抗彎強度可由下式算出：
基本抗彎強度=68.65×1/4=17.16（MPa）
根據(jù)表1，降低率較大的一方是：
徑向時，紋理傾斜度在1/10時為39%（日本標準規(guī)定，包裝用木材紋理傾斜度≤1/10，木節(jié)的大小占材寬≤1/3）；
弦向時，木節(jié)的大小占材寬1/3時為53%。
所以，由基本抗彎強度求許用抗彎強度時，可由下式算出：
徑向的許用抗彎強度=17.16×（1-0.39）≈10.47（MPa）→10.5 MPa
弦向的許用抗彎強度=17.16×（1-0.53）≈8.07（MPa）→ 8.1 MPa
2）許用順紋抗壓強度的計算
輻射松順紋抗壓的試驗強度為32.36 MPa。因此，基本順紋抗壓強度可由下式算出：
基本順紋抗壓強度=32.36×1/4=8.09（MPa）
根據(jù)表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的26%，所以，由基本順紋抗壓強度求許用順紋抗壓強度時，可由下式算出：
許用順紋抗壓強度=8.09×（1-0.26）≈5.99（MPa）→6.0 MPa
3）許用順紋抗拉強度的計算
輻射松順紋抗拉的試驗強度為98.07 MPa。因此，基本順紋抗拉強度可由下式算出：
基本順紋抗拉強度=98.07×1/4=24.52（MPa）
根據(jù)表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的39%，所以，由基本順紋抗拉強度求許用順紋抗拉強度時，可由下式算出：
許用順紋抗拉強度=24.52×（1-0.39）≈14.95（MPa）→15.0 MPa
2. GB50005-2003 木結構設計規(guī)范對木材許用強度的規(guī)定
GB 50005-2003對普通木結構用木材規(guī)定其樹種的強度等級如表2和表3所示。
表2 針葉樹種木材適用的強度等級
強度等級 | 組別 | 適 用 樹 種 |
TC17 | A | 柏木、長葉松、濕地松、粗皮落葉松 |
B | 東北落葉松、歐洲赤松、歐洲落葉松 | |
TC15 | A | 鐵杉、油杉、太平洋海岸黃柏、花旗松-落葉松、西部鐵杉、南方松 |
B | 魚鱗云杉、西南云杉、南亞松 | |
TC13 | A | 油松、新疆落葉松、云南松、馬尾松、扭葉松、北美落葉松、海岸松 |
B | 紅皮云杉、麗江云杉、樟子松、紅松、西加云杉、俄羅斯紅松、歐洲云杉、北美山地云杉、北美短葉松 | |
TC11 | A | 西北云杉、新疆云杉、北美黃松、云杉-松-冷杉、鐵-冷杉、東部鐵杉、杉木 |
B | 冷杉、速生杉木、速生馬尾松、新西蘭輻射松 |
表3 闊葉樹種木材適用的強度等級
強度等級 | 適 用 樹 種 |
TB20 | 青岡、椆木、門格里斯木、卡普木、沉水稍克隆、綠心木、紫心木、孿葉豆、塔特布木 |
TB17 | 櫟木、達荷瑪木、薩佩萊木、苦油樹、毛羅藤黃 |
TB15 | 錐栗（栲木）、樺木、黃梅蘭蒂、梅薩瓦木、水曲柳、紅勞羅木 |
TB13 | 深紅梅蘭蒂、淺紅梅蘭蒂、白梅蘭蒂、巴西紅厚殼木 |
TB11 | 大葉椴、小葉椴 |
在正常情況下，木材的強度設計值及彈性模量應按表4采用。
表4 木材的強度設計值和彈性模量（N/mm2）
強度 等級 | 組別 | 抗彎
fm | 順紋抗壓 及承壓 fc | 順紋抗拉
ft | 順紋抗剪
fv | 橫紋承壓fc,90 | 彈性 模量 E | ||
全表面 | 局部表面 和齒面 | 拉力螺栓墊板下 | |||||||
TC17 | A | 17 | 16 | 10 | 1.7 | 2.3 | 3.5 | 4.6 | 10000 |
B | 15 | 9.5 | 1.6 | ||||||
TC15 | A | 15 | 13 | 9.0 | 1.6 | 2.1 | 3.1 | 4.2 | 10000 |
B | 12 | 9.0 | 1.5 | ||||||
TC13 | A | 13 | 12 | 8.5 | 1.5 | 1.9 | 2.9 | 3.8 | 10000 |
B | 10 | 8.0 | 1.4 | 9000 | |||||
TC11 | A | 11 | 10 | 7.5 | 1.4 | 1.8 | 2.7 | 3.6 | 9000 |
B | 10 | 7.0 | 1.2 | ||||||
TB20 | - | 20 | 18 | 12 | 2.8 | 4.2 | 6.3 | 8.4 | 12000 |
TB17 | - | 17 | 16 | 11 | 2.4 | 3.8 | 5.7 | 7.6 | 11000 |
TB15 | - | 15 | 14 | 10 | 2.0 | 3.1 | 4.7 | 6.2 | 10000 |
TB13 | - | 13 | 12 | 9.0 | 1.4 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 8000 |
TB11 | - | 11 | 10 | 8.0 | 1.3 | 2.1 | 3.2 | 4.1 | 7000 |
注：計算木構件端部（如接頭處）的拉力螺栓墊板時，木材橫紋承壓強度設計值應按“局部表面和齒面”一欄的數(shù)值采用 | |||||||||
該標準還規(guī)定木材的強度設計值和彈性模量，在不同使用條件下尚應乘以一定的調整系數(shù)，對于不同的設計使用年限也應乘以相應的調整系數(shù)（因為建筑物的使用年限最短5年，長則25年、50年、100年及以上），此外還有一些其他的調整系數(shù)，相當復雜。鑫美特木箱包裝連鎖是一家大型的包裝企業(yè)，提供各種木箱包裝定制服務，深圳東莞惠州廣州珠三角自營，全國木箱包裝連鎖服務 ，我們提供各種出口木箱包裝，真空防潮木箱包裝定制化服務。
GB 50005-2003是對建筑木結構的規(guī)定，木包裝箱不同于建筑物，因為木包裝箱與建筑物比起來，它是短期使用的。但是，它卻需要承受儲運過程中的沖擊載荷。所以，GB 50005-2003的規(guī)定對我們來說只能作為參考用。
3. GB/T 7284對木材許用強度的規(guī)定
考慮到我國幅員遼闊，各地所用木材的樹種、材質等較復雜，而且其強度差距相當大。如果像日本那樣以我們常用樹種中強度最低的樹種的許用強度為基礎，規(guī)定出各構件的尺寸，對于一般樹種來說，勢必會導致構件的尺寸過大，不利于木材強度的合理利用，也就是不利于木材的節(jié)約。
同時，又考慮到《中國主要樹種的木材物理力學性質》中給出的各樹種的試驗強度本身就是一個平均值。即使同一樹種，其實際的試驗強度與該書給出的試驗強度的差距亦相當大。例如紅松木材的順紋抗壓強度為334kgf/cm2，變異系數(shù)為12.5%，當概率為99.7%時，其最大值按X+3V%估計為334×（1+3×125/100）=459 kgf/cm2；其最小值按X-3V%估計為334×（1-3×125/100）=208 kgf/cm2，最大值竟是最小值的2.2倍。
綜合考慮上面這些因素，我們將我國包裝箱常用書中的試驗強度（見附錄1）進行平均，再除以安全系數(shù)得許用強度。
至于這個安全系數(shù)，對我國的木材來說一般取3.5~6，考慮到包裝箱在儲運過程中受力的特點及我國包裝用木材材質一般較差等因素，在本標準中對抗彎及順紋抗拉強度，這個安全系數(shù)暫定為7，而對于順紋抗壓強度則定為5.5。表5就是根據(jù)這種考慮方法得出的包裝用木材的試驗強度的平均值和許用強度。
表5 包裝用木材的試驗強度平均值和許用強度（MPa）
抗彎強度 | 順紋抗壓強度 | 順紋抗拉強度 | |
試驗平均值 | 77.82 | 39.02 | 97.23 |
許 用 值 | 11.0 | 7.0 | 14.0 |
木材受彎時，其許用強度與受力方向（即徑向使用和弦向使用）是有關的。一般徑向使用時的許用強度大于弦向使用時的許用強度（見前面的“1. 日本包裝用木箱標準對木材許用強度的規(guī)定”）。但是，因為在實際制箱過程中往往不注意這個問題，或木材本身的一些原因，即使分開規(guī)定也沒什么意義，所以在標準中不予以分別考慮，但在制箱時，對于彎曲構件還是應該盡可能采用徑向使用。
本標準中各圖表規(guī)定的構件尺寸都是以表5的許用強度計算得出的。如果實際使用的樹種的試驗強度與表5的試驗強度平均值相差不大，則可以直接采用本標準規(guī)定的構件尺寸。否則，可根據(jù)實際使用樹種的試驗強度除以本標準規(guī)定的安全系數(shù)，得其許用強度。然后，以這實際使用樹種的許用強度與表5許用強度之比來調整構件的尺寸，這在本標準的相關圖表下面的注中都有說明。
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