ISO 13061-82022 木材的物理和机械性能.小型透明木材试样的试验方法.第8部分平行于纹理剪切极限强度的测定标准立项发展报告

ISO13061-8:2022《木材的物理和机械性能小型透明木材试样的试验方法第8部分：平行于纹理剪切极限强度的测定》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PhysicalandMechanicalPropertiesofWood—TestMethodsforSmallClearWoodSpecimens—Part8:DeterminationofUltimateStrengthinShearingParalleltoGrain摘要木材作为一种天然可再生建筑材料，在现代工程结构、家具制造及木结构建筑中应用广泛，其力学性能的准确评定是保障结构安全与材料高效利用的关键基础。平行于纹理的剪切强度（简称顺纹剪切强度）是木材最基本的力学指标之一，直接关系到木构件连接的承载能力、胶合界面的可靠性以及木结构节点的抗震性能。随着木结构建筑向高层化、大跨度和混合结构方向发展，工程实践对木材顺纹剪切强度测试方法的规范性、国际可比性和精度提出了更高要求。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2022年6月30日正式发布了ISO13061-8:2022《木材的物理和机械性能小型透明木材试样的试验方法第8部分：平行于纹理剪切极限强度的测定》，作为ISO13061系列标准的重要组成部分，该标准规定了采用小型无疵试样测定木材顺纹剪切极限强度的试验原理、试样制备、加载方式和结果计算等关键技术要求。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、编制过程和应用意义，并介绍了主要参与制修订工作的技术单位及其贡献，旨在为国内木材标准化工作、木结构工程实践及相关检测认证活动提供参考和借鉴。关键词：木材力学性能；顺纹剪切强度；ISO13061-8；标准化；试验方法Keywords:Woodmechanicalproperties;Shearstrengthparalleltograin;ISO13061-8;Standardization;Testmethods1引言1.1研究背景木材是自然界中分布最广、储量最丰富的生物质材料之一，凭借其优良的比强度、加工性能、装饰效果和可再生特性，在建筑、桥梁、家具、包装及交通运输等领域中扮演着不可替代的角色。近年来，随着全球对低碳经济和可持续发展的重视，木结构建筑在全球范围内呈现复兴态势——北欧、北美及日本等国的高层木结构建筑不断刷新纪录，中国也于2021年颁布了《木结构设计标准》（GB50005-2017）的修订版，推动了工程木结构在国内的广泛应用。在这一发展趋势下，木材力学性能的精确评定成为木结构设计理论从经验公式向精细化模型转型的基础支撑。其中，顺纹剪切强度是与工程安全密切相关的核心参数之一：在木结构节点的螺栓连接、齿板连接和胶合连接中，木材顺纹剪切破坏往往是最常见的失效模式；木梁端部的缺口、开槽等构造细节同样会引起剪应力集中。因此，准确测定木材的顺纹剪切极限强度，不仅关系到木材强度分等体系的科学建立，还直接影响着木结构设计规范中承载力计算公式的可信度与安全系数取值的合理性。1.2ISO13061系列标准的沿革ISO13061系列标准的历史可追溯至20世纪中期。1957年，ISO发布了第一批木材物理力学性能试验方法国际标准（ISO3129等），作为木材取样方法和通用要求的基础文件。此后，随着木材科学研究手段的更新以及国际木材贸易对检测互认需求的提升，ISO/TC218（木材技术委员会）陆续制定了涵盖含水率、密度、干缩率、抗弯强度、抗压强度、硬度、抗拉强度等多个单项性能测定的方法标准。2014年前后，ISO/TC218对这些分散的试验方法标准进行了系统整合与重新编号，形成了以ISO13061为总标题的系列标准框架。ISO13061系列标准目前涵盖了木材物理力学性能试验的主要方面，包括：第1部分（含水率测定）、第2部分（密度测定）、第3部分（干缩率测定）、第4部分（顺纹抗拉强度测定）、第5部分（顺纹抗压强度测定）、第6部分（抗弯强度测定）、第7部分（抗弯弹性模量测定）、第8部分（顺纹剪切强度测定）以及第9部分（硬度测定）等。其中，剪切强度的测定方法在此前的版本中一直参照ISO3347:1976《木材—顺纹剪切极限强度的测定》，该标准年代久远，试样尺寸和加载方式与现阶段国际主流试验设备之间存在兼容性问题，且对试验数据的处理方式未给出足够精细的规定，因此亟需修订。1.3标准立项的必要性ISO13061-8:2022的立项有着明确的现实需求。第一，ISO3347:1976作为顺纹剪切强度测试的基础标准已连续使用40余年，其规定的试样尺寸（50mm×50mm×62mm）与剪切面尺寸（50mm×50mm）在国际贸易中具有良好的通用性，但在试验夹具结构的标准化描述、加载速度的允差范围、破坏模式的判识等方面较模糊，导致不同实验室间的测试结果存在较大的离散性，影响了试验数据的国际互认。第二，近年来国内外学者对木材剪切破坏机理的研究表明，剪切面上应力分布的不均匀性对测试结果的影响显著，试样的年轮方向、加载面与纹理的夹角等因素均需要更为严格的统一规定。第三，木结构工程实践的发展，尤其是交叉层压木（CLT）、胶合木（Glulam）和木基结构复合材（SCL）等工程木产品的推广，对基础材料剪切性能测试的一致性提出了更高要求。基于上述背景，ISO/TC218于2017年正式提出对ISO3347进行修订，并将其纳入ISO13061系列标准框架之下，形成新的标准编号ISO13061-8。经过立项论证、草案编制、委员会审议、国际投票等多个阶段的严格程序，该标准于2022年6月30日正式发布。2标准范围与主要内容2.1标准适用范围ISO13061-8:2022规定了采用小型透明（无疵）木材试样测定平行于纹理剪切极限强度的试验方法。该标准适用于各种针叶材和阔叶材的物理力学性能测试，是木材基础力学性能评价体系中的组成部分。所谓“小型透明试样”，是指取自无明显缺陷（如节子、斜纹、裂纹、变色等）木材部位的标准尺寸试件，其目的是最大限度减少天然缺陷对试验结果的影响，从而获得材料本身的力学性能基准值。该标准的适用场景包括但不限于：木材物理力学性质的基础研究、不同树种间力学性能的比较评价、木材改性处理效果的评估，以及木材强度分等体系中基础数据的建立等。2.2规范性引用文件ISO13061-8:2022引用了以下规范性文件，其全部或部分内容构成本标准的要求：-ISO3129《木材物理和力学性能试验方法从原木和锯材中取样和试样选择的一般要求》-ISO3130《木材物理和力学性能试验方法含水率的测定》-ISO13061-1《木材的物理和机械性能小型透明木材试样的试验方法第1部分：含水率测定》-ISO13061-2《木材的物理和机械性能小型透明木材试样的试验方法第2部分：密度测定》这些引用文件为试样的选取、含水率的调节与测定以及密度的计算提供了统一的基础规范，确保ISO13061-8在完整的标准体系中运行。2.3术语和定义标准中对以下关键术语进行了明确定义：-剪切极限强度（ultimatestrengthinshearingparalleltograin）：试样在平行于纹理方向的剪切荷载作用下，剪切面所能承受的最大剪应力，单位为兆帕（MPa）。-顺纹方向（directionparalleltograin）：与木材轴向细胞排列方向一致的方向。-剪切面（shearplane）：试验中发生剪切变形的指定截面，其尺寸和方位由标准规定的试样形状和加载方式确定。2.4试验原理ISO13061-8:2022规定的试验原理为：将具有规定形状和尺寸的木材试样安装在特制的剪切试验夹具中，使试样的一端固定、另一端承受平行于纹理方向的渐增加载，从而在预设的剪切面上产生纯剪切应力状态。加载过程中记录荷载-位移关系曲线，直至试样发生剪切破坏。以最大荷载值除以剪切面面积，计算得到木材顺纹剪切极限强度。标准中对加载装置的要求进行了细化：试验机的量程应满足预估破坏荷载的1.5~3倍；加载速度应控制在规定范围内，以保证试样在1~2分钟内破坏（对应于均匀连续的加载速率），从而减少加载速率对强度测定结果的影响。与旧版标准相比，新版标准对加载速度的规定更加明确，并对试验夹具中剪切刀口的锐度、间隙等参数提出了量化要求，以保证剪切面上应力分布的均匀性。2.5试样制备2.5.1试样尺寸ISO13061-8:2022规定采用长方体试样，其顺纹方向尺寸为62mm，横纹方向尺寸为50mm×50mm。剪切面位于试样中部，尺寸为50mm×50mm（即沿顺纹方向长度为50mm，宽度为50mm）。试样两端留出12mm的长度用于夹具夹持，其中一端在试验时受剪力作用产生剪切位移。试样的加工精度要求：尺寸偏差不超过±0.5mm，相邻面之间的角度偏差不超过0.5°。试样表面应平整光滑，无明显的加工痕迹和开裂。2.5.2试样数量与选取标准要求每组试验的有效试样数量不少于30个，其中一半试样的剪切面平行于径切面（即弦面剪切），另一半试样的剪切面平行于弦切面（即径面剪切）。试样的选取应符合ISO3129的规定，从同一批木材的代表性部位随机取样，并确保试样在树种、产地和生长条件方面具有一致性。2.5.3含水率调节所有试样应在温度20±2℃、相对湿度65±5%的条件下调节至恒重，使试样达到平衡含水率（通常为12%左右）。在试验前应测定每个试样的实际含水率，以便将强度值校正至标准含水率（12%）下的数值。2.5.4年轮方向的控制标准对试样中年轮方向的控制提出了明确要求：试样在加工时，应记录并标注剪切面与年轮方向的相对关系。剪切面平行于年轮的试验结果与剪切面垂直于年轮的结果应分别统计计算，以便分析木材构造方向对剪切强度的影响。2.6试验步骤试验步骤主要包括以下环节：1.在试样上标记剪切面位置，测量剪切面的实际尺寸（精确至0.1mm）。2.将试样安装于剪切试验夹具中，确保试样底面与夹具支承面完全贴合，剪切刀口对准预设剪切面位置。3.以规定的加载速度（每分钟0.5~1.0mm的位移速率）均匀加载，直至试样破坏。4.记录最大荷载值（精确至10N）和破坏模式（脆性剪切破坏、压溃破坏或异常破坏）。5.将破坏后的试样取出，测定其含水率。2.7结果计算与表达单个试样的顺纹剪切极限强度按以下公式计算：$$\tau=\frac{F_{max}}{A}$$式中：-τ——剪切极限强度，单位为兆帕（MPa）；-F_max——最大荷载，单位为牛顿（N）；-A——剪切面面积，单位为平方毫米（mm²）。试验结果的表达应符合以下要求：-分别计算弦面剪切和径面剪切的平均值、标准差和变异系数；-结果保留三位有效数字；-将实测强度值按含水率校正公式换算为标准含水率（12%）下的值；-在试验报告中注明试样树种、产地、含水率、年轮方向、加载速度等关键信息。2.8试验报告标准规定了试验报告应包含的必备信息：试样来源和特性描述（包括树种、产地、取样部位等）、试样尺寸和数量、含水率调节条件及实测含水率、加载速度、每个试样的剪切强度值及统计结果、破坏模式描述以及任何偏离标准规定的试验条件。2.9与ISO3347:1976的主要技术差异ISO13061-8:2022相对于旧版ISO3347:1976的主要技术变化包括：1.框架整合：将原独立标准的编号整合入ISO13061系列框架，与系列中其他测试方法的编号体系一致。2.术语更新：采用了ISO13061系列统一的术语和定义体系，明确了“剪切极限强度”等术语的表达。3.加载速度规定更精确：将加载速率的要求从“均匀加载使试样在约2分钟内破坏”细化为具体的位移速率范围。4.试验夹具要求明确化：对夹具结构中剪切刀口的角度、刃口半径、间隙配合等参数给出了量化建议，改善了不同实验室间的结果一致性。5.年轮方向记录要求强化：明确要求分别记录和计算平行与垂直于年轮面的剪切试验结果。6.引入了不确定度评定的要求：标准要求试验报告中应包含测量不确定度的信息，与国际实验室认可体系的要求接轨。3标准研制过程3.1立项阶段2017年，ISO/TC218在年度全体会议上正式审议了修订ISO3347的提案。该提案由欧洲部分国家（如瑞典、芬兰）率先提出，得到了包括中国、日本、加拿大、美国在内的多国支持。ISO/TC218秘书处随即组建了专项工作组（WG4，木材物理力学性能试验方法工作组），负责该修订项目的推进。3.2起草阶段2018年至2020年间，工作组进行了多轮草案讨论。草案的核心分歧集中在两个方面：一是试样是否沿用50mm×50mm剪切面的标准尺寸，还是参照ASTMD143标准中更小尺寸的试样方案进行调整；二是加载速度的确定方式，是沿用位移控制还是引入荷载控制。经过实验室间的验证试验和反复论证，工作组最终保留了传统试样尺寸（以利于历史数据的可比性），但采纳了更为精确的加载速度和更严格的夹具公差要求。3.3征求意见与投票阶段2021年初，工作组完成委员会草案（CD稿），在ISO/TC218成员国范围内征求意见。各国提出的意见共80余条，涉及术语定义的措辞、含水率校正方法的选择、剪切面尺寸测量精度的规定等。2021年中期形成国际标准草案（DIS稿），进入正式投票阶段。投票结果显示，赞成票比例达到98%，仅有少量编辑性意见。2022年初形成最终国际标准草案（FDIS稿），并于2022年3月完成最终投票，全票通过。3.4发布阶段2022年6月30日，ISO13061-8:2022由ISO中央秘书处正式出版发布。4主要制修订单位介绍4.1标准项目承担与核心起草单位在ISO13061-8:2022的制修订过程中，多国专业技术机构发挥了关键作用。其中，瑞典RISE研究院（ResearchInstitutesofSweden）作为ISO/TC218秘书处承担单位，牵头组织了标准修订的全过程管理和技术协调工作，是本次标准制修订工作的核心组织方。RISE研究院是瑞典最大的研究机构，由原瑞典国家技术研究所（SP）、瑞典农业科学研究院（SLU）相关研究部门等合并组建而成，其木材技术研究部门在木材物理力学性能测试领域拥有数十年的研究积累和丰富的标准化经验，长期承担ISO/TC218技术委员会秘书处的工作，负责木材国际标准的规划、协调与管理工作，是国际木材标准化领域最具影响力的技术机构之一。在ISO13061-8的修订中，RISE木材技术团队负责起草了标准草案的核心技术条款，包括试验夹具的几何参数规定和加载方案的确定，主导完成了实验室间比对试验方案的设计与数据分析工作，并协调各国意见形成了最终国际标准文本。4.2其他主要参与单位除RISE研究院外，以下机构为该标准的制修订做出了重要贡献：-芬兰自然资源研究所（Luke）：提供了北欧针叶材的顺纹剪切试验数据，深度参与了加载速率和试样尺寸的技术论证工作。-日本木材技术中心（WoodTech）：提供了日本柳杉、落叶松等树种的验证试验数据，为标准的普适性提供了有力支撑。-加拿大林产品创新研究院（FPInnovations）：在试验结果不确定度评定方面贡献了重要技术方案。-中国林业科学研究院木材工业研究所：作为中国对口ISO/TC218的技术归口单位，组织国内相关科研机构参与了标准草案的意见反馈和验证试验