木箱包裝標(biāo)準(zhǔn)講解（一）木材的許用強(qiáng)度
木材的許用強(qiáng)度是木包裝箱設(shè)計時的重要依據(jù)。關(guān)于木材許用強(qiáng)度的確定，這是一個比較復(fù)雜的問題。一般資料，如《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》所給出的木材強(qiáng)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(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值，此稱為試驗強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度或極限強(qiáng)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(chǎn)地不同、樹齡不同、取材部位不同，其強(qiáng)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(shí)際尺寸大小，以及木箱在儲運(yùn)過程中所受到的沖擊等因素。所以，在設(shè)計木箱時不能直接套用木材的試驗強(qiáng)度，而必須將試驗強(qiáng)度打個折扣，換算成許用強(qiáng)度或設(shè)計強(qiáng)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(guān)，但由于考慮的方法不同而各有差異。所以，不同的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計手冊等資料中有不同的計算方法。
1. 日本包裝用木箱標(biāo)準(zhǔn)對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定
首先，從試驗強(qiáng)度計算出木材的基本強(qiáng)度：
基本強(qiáng)度=試驗強(qiáng)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(chǎn)生的強(qiáng)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(qiáng)度的計算公式如下：
基本強(qiáng)度=試驗強(qiáng)度×3/4×1/3=試驗強(qiáng)度×1/4
然后，木材的許用強(qiáng)度是從基本強(qiáng)度減去木材缺陷所造成的降低率而得到的強(qiáng)度。木材缺陷的強(qiáng)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(qiáng)度的降低率 (%)
順 紋 抗拉強(qiáng)度 | 順 紋 抗壓強(qiáng)度 | 抗彎強(qiáng)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(nóng)業(yè)部林產(chǎn)試驗所發(fā)表的數(shù)據(jù)。
1）許用抗彎強(qiáng)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(qiáng)度最低的是輻射松，其抗彎的試驗強(qiáng)度為68.65MPa。因此，基本抗彎強(qiáng)度可由下式算出：
基本抗彎強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度求許用抗彎強(qiáng)度時，可由下式算出：
徑向的許用抗彎強(qiáng)度=17.16×（1-0.39）≈10.47（MPa）→10.5 MPa
弦向的許用抗彎強(qiáng)度=17.16×（1-0.53）≈8.07（MPa）→ 8.1 MPa
2）許用順紋抗壓強(qiáng)度的計算
輻射松順紋抗壓的試驗強(qiáng)度為32.36 MPa。因此，基本順紋抗壓強(qiáng)度可由下式算出：
基本順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)度求許用順紋抗壓強(qiáng)度時，可由下式算出：
許用順紋抗壓強(qiáng)度=8.09×（1-0.26）≈5.99（MPa）→6.0 MPa
3）許用順紋抗拉強(qiáng)度的計算
輻射松順紋抗拉的試驗強(qiáng)度為98.07 MPa。因此，基本順紋抗拉強(qiáng)度可由下式算出：
基本順紋抗拉強(qiáng)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(qiáng)度求許用順紋抗拉強(qiáng)度時，可由下式算出：
許用順紋抗拉強(qiáng)度=24.52×（1-0.39）≈14.95（MPa）→15.0 MPa
2. GB50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定
GB 50005-2003對普通木結(jié)構(gòu)用木材規(guī)定其樹種的強(qiáng)度等級如表2和表3所示。
表2 針葉樹種木材適用的強(qiáng)度等級
強(qiáng)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(qiáng)度等級
強(qiáng)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(dá)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(qiáng)度設(shè)計值及彈性模量應(yīng)按表4采用。
表4 木材的強(qiáng)度設(shè)計值和彈性模量（N/mm2）
強(qiáng)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(gòu)件端部（如接頭處）的拉力螺栓墊板時，木材橫紋承壓強(qiáng)度設(shè)計值應(yīng)按“局部表面和齒面”一欄的數(shù)值采用 | |||||||||
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定木材的強(qiáng)度設(shè)計值和彈性模量，在不同使用條件下尚應(yīng)乘以一定的調(diào)整系數(shù)，對于不同的設(shè)計使用年限也應(yīng)乘以相應(yīng)的調(diào)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(diào)整系數(shù)，相當(dāng)復(fù)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(wù)，深圳東莞惠州廣州珠三角自營，全國木箱包裝連鎖服務(wù) ，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(wù)。
GB 50005-2003是對建筑木結(jié)構(gòu)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(yùn)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(qiáng)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(zhì)等較復(fù)雜，而且其強(qiáng)度差距相當(dāng)大。如果像日本那樣以我們常用樹種中強(qiáng)度最低的樹種的許用強(qiáng)度為基礎(chǔ)，規(guī)定出各構(gòu)件的尺寸，對于一般樹種來說，勢必會導(dǎo)致構(gòu)件的尺寸過大，不利于木材強(qiáng)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(xué)性質(zhì)》中給出的各樹種的試驗強(qiáng)度本身就是一個平均值。即使同一樹種，其實(shí)際的試驗強(qiáng)度與該書給出的試驗強(qiáng)度的差距亦相當(dāng)大。例如紅松木材的順紋抗壓強(qiáng)度為334kgf/cm2，變異系數(shù)為12.5%，當(dāng)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(qiáng)度（見附錄1）進(jìn)行平均，再除以安全系數(shù)得許用強(qiáng)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(yùn)過程中受力的特點(diǎn)及我國包裝用木材材質(zhì)一般較差等因素，在本標(biāo)準(zhǔn)中對抗彎及順紋抗拉強(qiáng)度，這個安全系數(shù)暫定為7，而對于順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的平均值和許用強(qiáng)度。
表5 包裝用木材的試驗強(qiáng)度平均值和許用強(qiáng)度（MPa）
抗彎強(qiáng)度 | 順紋抗壓強(qiáng)度 | 順紋抗拉強(qiáng)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(qiáng)度與受力方向（即徑向使用和弦向使用）是有關(guān)的。一般徑向使用時的許用強(qiáng)度大于弦向使用時的許用強(qiáng)度（見前面的“1. 日本包裝用木箱標(biāo)準(zhǔn)對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定”）。但是，因為在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)中不予以分別考慮，但在制箱時，對于彎曲構(gòu)件還是應(yīng)該盡可能采用徑向使用。
本標(biāo)準(zhǔn)中各圖表規(guī)定的構(gòu)件尺寸都是以表5的許用強(qiáng)度計算得出的。如果實(shí)際使用的樹種的試驗強(qiáng)度與表5的試驗強(qiáng)度平均值相差不大，則可以直接采用本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的構(gòu)件尺寸。否則，可根據(jù)實(shí)際使用樹種的試驗強(qiáng)度除以本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)，得其許用強(qiáng)度。然后，以這實(shí)際使用樹種的許用強(qiáng)度與表5許用強(qiáng)度之比來調(diào)整構(gòu)件的尺寸，這在本標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)圖表下面的注中都有說明。
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