竹集成材钉节点力学性能的试验研究

为研究现代竹构建筑中钉节点的受力性能和变形性能,对85个竹集成材钉连接节点试件进行单调加载试验,研究不同钉子端距、中距、边距、行距对钉节点的承载性能、变形特性和破坏机理的影响。试验结果表明,节点的力学性能主要取决于端距和中距,而边距和行距的影响较小。加载初期的钉孔间隙导致节点初期的刚度较低。当端距和中距小于6D(D为钉子直径)时,节点的承载力随着端距和中距的增加而呈增大趋势,当端距和中距大于等于6D时,节点的承载力将不再增大。钉节点的破坏形态与钉子的布置密切相关。当端距或中距小于6D时,分别以端部剪切破坏和纵向劈裂破坏为主;当边距小于4D或行距小于3D时,分别以劈裂和块剪破坏为主。当钉子的端距、中距、边距和行距布置满足最小容许要求时,钉节点以销槽承压破坏模式为主,表现出较好的延性特征。试验结果的回归分析表明,Folz模型能较好地反映钉节点在各个受力阶段的荷载-位移本构关系,而基于Foschi和Hassanieh模型预测的弹塑性阶段的钉节点荷载-本构关系结果偏于保守,但明显高估了破坏阶段的受力变形性能。研究结果可为竹集成材钉节点的设计与应用提供参考。     

薄壁方型钢管/竹胶板组合空芯柱轴心抗压性能

研究方形薄壁型钢管/多层竹胶板组合空芯柱(Square,thin-walled steel tube/multi-layered bamboo plywood composite hollow column,SBCC)的轴心抗压性能,揭示其受力破坏机理,为其工程应用提供试验和理论基础。考虑试件的截面尺寸、空心率及长细比对SBCC抗压承载力的影响,设计制作了15根轴心抗压试件,通过SBCC的抗压性能测试,考察测试过程中的破坏形态和变形特征,分析各因素对试件轴心抗压力学性能的影响规律。试验结果表明:SBCC轴心抗压失效主要有竹胶合板材料破坏、基体胶结面开胶破坏以及整体失稳破坏3种形态,总体上胶结面间的胶粘强度及长细比是决定破坏模式的主要因素。SBCC的轴心抗压承载力随组合柱竹净截面面积、空心率的增大而显著提高,随长细比的增大而降低。通过试验数据的非线性回归分析,建立了SBCC的轴心抗压承载力计算公式,公式估算结果与试验测试结果的误差在20%以内。该研究结果表明SBCC是一种轴心抗压性能较优异的钢/竹组合结构单元,可实现"以竹代木",作为工程结构用材的应用前景广阔。     

装配式地下粮仓钢-混组合仓壁节点力学性能有限元分析

地下粮仓是构建绿色储粮新体系的重要技术支撑,结合工程实际提出了一种新型装配式钢板-混凝土组合地下粮仓。为了建立适用于装配式地下粮仓的有限元模型以模拟分析组合仓壁节点的力学性能,并通过有限元分析指导组合仓壁节点力学性能试验的开展,基于工程设计的钢板-混凝土组合仓壁及连接接头,采用ANSYS软件建立了仓壁及其节点1∶1足尺试件的有限元模型,模拟分析了无接头、有接头试件的受弯和受压性能,并开展仓壁节点抗弯、抗压试验对有限元模拟结果进行验证分析。结果表明:试件的钢板和混凝土由栓钉连接为一体,试验过程中二者未见剥离可共同工作,建模时钢板和混凝土共用结点以及接头钢板之间假定为刚性连接是适用的;同类试件挠度曲线、轴压荷载-位移曲线的试验结果与其有限元模拟结果基本一致,无接头试件和有接头试件弯曲跨中位移、轴压最大位移的试验值与对应的模拟值,相对误差分别在4%和10%以内;试验过程中试件未发生明显破坏和过大变形,应力总体上未超过工程设计允许值,数值模拟结果精度满足工程所需;有接头试件力学性能与无接头试件相近,设计的仓壁及其节点是安全、可靠的,其结构计算可以采用等同原理,即该装配式仓壁可等效为现浇一体的无接头仓壁。建立的仓壁节点有限元模型适用于新型装配式地下粮仓,研究结果为装配式地下粮仓有限元建模分析、结构计算提供参考,为组合仓壁节点试验的开展提供指导。     

装配式地下粮仓钢板-混凝土组合仓壁轴压受力性能分析

为了研究装配式地下粮仓钢板-混凝土组合仓壁的轴压力学性能,该研究在仓壁试件轴压试验的基础上,对仓壁试件进行非线性有限元分析,模拟试件加载的全过程,进一步分析试件及其组件在加载过程中的受力性能及工作机理,并对钢板强度、混凝土强度、距厚比等不同的参数影响规律进行了分析。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合较好,在最大试验载荷5 000 kN时模拟轴向压缩总变形与试验平均轴向压缩总变形相对差值为4.2%,建立的有限元模型适用;在弹性阶段仓壁预制块部位混凝土和接头部位止水钢板分别承担了79.7%和50.9%的荷载,峰值荷载主要由混凝土和传力钢板决定,达到峰值荷载后接头部位止水钢板承担更大的荷载,增强止水钢板可以改善试件的延性;相较钢板强度、距厚比和止水钢板厚度,混凝土强度对仓壁试件的初始刚度和峰值荷载影响最大,混凝土强度、钢板强度、距厚比和止水钢板厚度对峰值荷载回归得到的回归系数值分别为0.910、0.154、-0.005和0.301;止水钢板的强度和厚度较小时,试件易发生脆性破坏;结合设计参数分析中得到的荷载-变形曲线,提出2种荷载-变形模型曲线,进一步提出装配式钢板-混凝土组合仓壁轴压峰值荷载简化计算式,得到的计算峰值荷载与有限元峰值荷载相对差值均不超过9%,计算结果具有较高的精度。研究结果可为装配式地下粮仓仓壁的工程设计提供指导和参考。     

考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面力学特性

寒区多年冻土斜坡内部存在的下卧冰层对多年冻土斜坡稳定有着重要影响。为探究冰-冻土界面力学特性对斜坡稳定的影响,该研究以冰-冻土界面为研究对象,在低温环境（-3℃）下开展了不同冻土初始孔隙比和含水率下的冰-冻土界面及对应的冰-土颗粒界面直接剪切试验,建立了考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面非线性弹性损伤模型,结合试验结果对模型进行了验证,并分析了界面在剪切过程中切线刚度的变化规律。结果表明：冰-土颗粒界面的剪切应力表现为应变硬化特性,而冰-冻土界面的剪应力在峰值强度之后迅速下降,表现为应变软化特性。冰-冻土界面结构系数峰值点对应的剪切位移随着含水率的增大而增大,当冻土初始孔隙比为1.0、0.8和0.6,冻土初始含水率从14%增大至18%时剪切位移分别增大了32.7%、41.3%和52.1%。在-3℃下,冻土的初始含水率越大,则界面处的胶结冰越多,黏聚强度对界面的抗剪强度贡献也就越大。当结构系数达峰值点后,界面开始产生损伤,并随着剪切位移的增加进入加速损伤阶段。剪切过程中界面的切线刚度呈先增大后减小的趋势,在结构系数峰值点处为0,之后切线刚度随着剪切位移的增加逐渐减小。此外,界面的峰值切线刚度随着法向应力的增大而增大,当冻土初始孔隙比1.0、初始含水率为18%,法向应力从50 kPa增大至200 kPa时,则界面的峰值切线刚度增加了63.7%。在冰-冻土界面力学模型中考虑冰晶胶结特性更加合理,研究结果可为寒区斜坡稳定性分析提供参考。     

带约束拉杆钢管/竹胶板组合空芯短柱的偏心抗压性能

采用冷弯薄壁方型钢管和胶合竹板通过横向约束拉杆和结构胶黏剂复合成顺纹抗压的组合空芯短柱(thin-walled steel tube/bamboo-plywood composite hollow short column with binding bars,SBCCB),采用9个试件研究SBCCB试件的偏心抗压破坏模式、抗压承载力和影响规律。结果表明,SBCCB试件受压破坏形态主要为柱端开胶破坏、横向约束拉杆之间基体胶合界面开胶剥离破坏和胶合竹板局部压屈破坏;SBCCB抗压极限荷载随胶合竹净横截面积增大而提高,随着长细比和荷载偏心率的增大而降低,随空心率增大而增大;约束拉杆可有效延迟SBCCB的开胶剥离破坏,改变屈曲破坏模式,有助于试件抗压承载力的提高;相对于不带约束拉杆试件,SBCCB抗压极限应力提高约17.64%;局部翘曲随约束拉杆间距减小而减小,相对拉杆间距比3.0以下能确保较小的局部翘曲变形。薄壁钢管和胶合竹板能形成较好的复合抗压结构单元,该批试件平均值抗压强度达到18.54 MPa,展现了优异的抗压性能。SBCCB可作为绿色建筑材料广泛应用于现代装配式工程结构,同时拓展竹材的应用途径,实现"以竹代木,以竹代钢",具有很好的工程价值和应用前景。     

多花木兰和双荚决明分叉根拔出过程中根土界面摩擦特性

根系的不同分叉形态和分叉角度在拔出过程中释放的力对根系固土起重要作用,是根系固土力学性质的前置阶段。该研究以边坡绿化常用灌木多花木兰和双荚决明为研究对象,采用拉拔试验方法,研究分叉角度对根系拉拔摩擦力学性质的影响。试验结果表明,分叉根有3种拔出破坏模式：完全拔出、主根断裂和侧根断裂,多花木兰和双荚决明破坏模式以完全拔出为主,分别占总样本的82.61%和86.05%。3种破坏模式下的拉拔力与相对位移曲线（F-S曲线）初始阶段相似,在根系相对位移为0时,拉拔力已经产生,且分叉角度与初始滑移荷载呈显著正相关关系（多花木兰P=0.042,双荚决明P=0.003）。多花木兰和双荚决明分叉角度为60°～90°时,1～2 mm根径峰值位移分别为19.749和17.324 mm;多花木兰和双荚决明分叉角度为0°～30°时,>4～5mm根径峰值位移分别为7.253和4.891mm;根径相同时其峰值位移随分叉角度的增加而增加,根系分叉角度相同时,峰值位移随根径的增大而减小,根径越小,分叉角度越大,峰值位移越大。多花木兰和双荚决明根土界面摩擦系数均随分叉角度的增加而增大,多花木兰平均最大拔出力从大到小...     

地下粮仓钢-混组合仓壁竖向节点受弯性能分析

装配式钢-混组合地下粮仓具有节能、低损、保障粮食品质的优点,但钢-混组合仓壁竖向节点的结构形式和力学性能仍是制约其广泛推广应用的关键难题。为此,该研究提出一种适用于装配式钢-混组合仓壁的新型节点,利用两点对称加载受弯试验研究其在弹塑性阶段的受弯性能,并与无节点钢-混组合仓壁试件进行对比,分析了各试件在荷载作用下的破坏形态、内力和变形规律。结果表明：各试件的位移与应变均随着弯矩的增加而增加,整体呈现上部受压,下部受拉的受力形态;相较于无节点试件和无梯形传力钢板试件,新型节点试件刚度显著增加,抗弯承载力分别提高了15%和17%;相较于无梯形传力钢板试件,新型节点试件屈服荷载提高了29%;传力钢板和内防水钢板拉应变均随跨中弯矩增大而线性增大,在新型组合节点中两者可共同发挥抗拉作用。研究结果可为装配式地下粮仓和类似地下结构受弯性能分析提供参考。     

原竹骨架喷涂复合材料多功能组合构件力学性能试验研究

为研究原竹骨架喷涂复合材料组合构件的力学性能,该文通过立柱轴压性能和抗弯性能足尺试验,研究其传力过程、承载能力、破坏模式及复合材料对原竹骨架的增强作用。结果表明:组合构件立柱轴压试验的破坏模式为整体失稳破坏;在有限元参数分析中,立柱数目少于6根时,立柱数目越多,平均每根立柱的轴压承载力越大,但立柱数目超过6根时,平均每根立柱的极限承载力随立柱数目的增多反而有降低的风险;立柱间距在200~500 mm范围内,间距越大,其立柱平均承载力越高;对多根立柱统一均匀加载时,构件会发生整体失稳破坏,而对中间立柱单根加载时,其顶部出现局部压溃现象。抗弯性能试验的破坏模式为纵向原竹与复合材料产生滑移,构件在集中荷载处发生弯折破坏。复合材料对构件立柱提供了较好的约束作用,使其轴压承载力提高3.7倍,但与立柱达到抗压强度破坏时的极限承载能力相比低16.7%;当达到组合构件的弯曲容许挠度和峰值挠度时,构件所承担荷载分别约为原竹骨架构件的7倍与4倍,说明复合材料对原竹骨架的增强作用显著。研究成果可为喷涂复合材料-原竹骨架组合结构体系的工程应用提供参考。     

流冰对输水明渠混凝土衬砌的撞击影响

为研究西北寒冷地区长距离输水工程中流冰对输水明渠的撞击影响,该研究运用LS-DYNA软件模拟不同工况下流冰与输水明渠碰撞挤压过程,并通过室内模型试验进行相应验证,探求水-空气耦合介质中流冰碰撞输水明渠的破坏规律。结果表明：流冰速度对明渠衬砌撞击的最大等效应力与X方向最大位移呈现出近似的Pseudo-Voigt函数峰值曲线关系。流冰压缩强度对明渠衬砌撞击的最大等效应力与X方向最大位移呈现出近似的线性关系。综合分析所模拟的不同组合工况可以看出,对明渠衬砌撞击影响明显的组合区间是流冰压缩强度为1.825～3.199 MPa、流冰速度为3.5～4.5 m/s时的组合情况,其等效应力值为4.3～16.8 MPa、X方向最大位移值为2.59～5.52×10-5 m;对明渠衬砌撞击影响最大的双因素组合是流冰压缩强度为3.059 MPa、流冰速度为4.0 m/s的组合情况,其等效应力值为16.8 MPa、X方向最大位移值为5.52×10-5 m;对明渠衬砌撞击影响较为不明显的组合区间是流冰速度为0.5～1.0 m/s、压缩强度为1.825～2.375 MPa时的组合情况,其等效应力为0.7～2.8 MPa、X方向最大位移为0.24～0.52×10-5 m。同时,模拟值与试验结果基本吻合,表明所采用的数值模拟仿真模型准确可靠,其结果可为寒冷地区冬季输水工程安全运营提供帮助。     

钢箍碳纤维布组合节点竹拱结构平面内稳定承载力试验

设计了一种钢箍碳纤维布组合节点,可以适应原竹管材的不规则性并对其进行有效接长,采用特定方法成拱,根据需要形成不同跨度的竹拱。为研究采用此连接节点的竹拱在全跨荷载作用下的平面内稳定承载能力、变形性能以及节点的连接性能,制作了2个10 m跨度的竹拱试件并进行平面内稳定承载力试验。试验结果表明:全跨荷载作用下,有平面外侧向支撑的竹拱试件在产生较大的平面内位移后,发生平面内反对称失稳;采用连接节点的竹拱延性好;节点在受荷全过程的连接性能良好,试件失稳后的破坏区域均处于临近节点的竹管部分。试验结果及有限元分析使进一步详细研究此类节点的受力机理、承载性能具有现实意义,同时推动此类节点竹拱结构的工程应用。     

四种植物纤维粉/聚丙烯复合材料应用性能

为了充分利用农作物及农业废弃物中的植物纤维,研究环境友好材料,研究了4种植物纤维粉/聚丙烯复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量等力学性能,并对其吸水和热变形性能进行了分析。结果表明：麦秆粉与稻壳粉混合纤维粉填充聚丙烯时,复合材料有较好的性能;稻壳粉、混合纤维粉及松木粉分别填充聚丙烯复合材料的拉伸强度和弯曲强度相差不大;竹粉填充聚丙烯复合材料的力学性能较低,吸水性及加热后尺寸变化率较大,综合性能较差。稻壳粉与聚丙烯相容性较好,竹粉和松木粉与聚丙烯的相容性较差。稻壳粉、混合纤维粉能与聚丙烯制备性能较好的木塑复合材料。     

竹炭表面结构及其对糠醛的吸附特性

为了去除生物油中的糠醛,该研究利用竹子为前躯体热解制得竹炭,选取糠醛为生物油模型化合物,在深入分析测试竹炭表面特性的基础上,研究竹炭对糠醛的静态吸附特性,并利用Langmuir和Freundlich等温吸附方程对试验数据进行拟合。结果表明以微孔为主的竹炭表面含有多种含氧官能团,如羟基、羧基等,同时还含有芳香族、脂肪族结构,这些表面官能团主要呈碱性;竹炭对糠醛具有较好的吸附脱除效果,25℃下,在糠醛浓度为10g/L,竹炭添加量为200g/L时,脱除率可达95%以上;其对糠醛的吸附主要依靠色散力作用;Freundlich等温吸附方程能更好地描述竹炭对糠醛的吸附特性。该研究有助于探索廉价的生物油除杂以适应糖发酵的新方法。     

竹粉/不饱和聚酯复合材料力学性能与断面图像特征

为探明粒径对竹粉/不饱和聚酯复合材料力学性能的影响以及力学性能与拉伸断面图像特征之间的关系,采用平板模压法制备了竹粉/不饱和聚酯复合材料并测试了其力学性能,应用局部二元模式直方图的傅立叶特征算法提取复合材料拉伸断面电子显微镜图像特征。结果表明:与20～30目竹粉比较,>30～40目竹粉/不饱和聚酯复合材料的拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量分别提高32.9%、34.4%、25.4%;>100～120目的复合材料拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量则比>30～40目的分别降低10.6%、20.8%、12.9%;200目竹粉/不饱和聚酯复合材料的拉伸强度与弯曲强度比>100～120目的分别提高11.7%与18.3%。不同粒径竹粉复合材料拉伸断面图像特征存在差异,具有相似力学性能的复合材料断面图像纹理特征有一定相似性。本文通过拉伸断面图像特征来表征复合材料微观形貌与力学性能的差异,为建立复合材料断面微观形貌与力学性能之间的定量关系提供参考。     

基于双参数弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

为克服已有梯形渠道弹性地基梁模型未考虑土体连续性及需要预先假定切向冻结力分布的不足，该研究在Winkler模型的基础上，用土弹簧的伸缩来描述法向冻胀力与法向冻结力，引入剪切层和接触界面层构建了梯形渠道双参数冻土地基梁模型。通过引入剪切层考虑土弹簧间的相互作用，引入接触界面层把切向冻结力计算纳入模型中一体化求解。以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为例，计算了衬砌板法向冻胀位移，并将计算值与Winkler模型、有限元法计算结果及试验值进行对比分析，最后对衬砌板各点切向位移及切向冻结力分布进行计算。结果表明：本文模型计算值与Winkler模型、有限元法计算结果的总体变化趋势一致，且关键点上与试验值更加符合，当剪切系数g=0时双参数模型则退化为Winkler模型，验证了模型合理性；衬砌板各点切向位移及切向冻结力呈非线性分布，且随切向刚度增大，各点切向位移总体呈减小趋势，与实际相符。本研究可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

水泥混凝土路面传力杆系统极限承载力的扩展有限元分析

针对超载引起的水泥混凝土路面传力杆系统的早期损坏问题,在多工况道路整体结构三维有限元分析的基础上,基于扩展有限元方法与子模型技术,对传力杆周围混凝土的承载力极限开裂过程进行了数值模拟。计算给出了传力杆周围混凝土材料内裂纹萌生、扩展及最终的破坏形式,并设计足尺试验对数值模拟结果进行验证,对比结果表明两者在加载点荷载-位移曲线与裂纹断裂模式上吻合较好。根据该文的研究可以发现,采用扩展有限元法与子模型技术相结合的方式,能够快速、准确地计算传力杆系统的极限承载力,进而反推出水泥混凝土路面缩缝结构的临界车辆轴载。同时该文的研究方法为解决混凝土结构局部应力集中区域的开裂、破坏过程行为研究提供了一种可行性数值研究手段。