国产落叶松平行弦轻型木桁架静力承载性能

【目的】研究国产落叶松轻型木桁架的静力承载性能,为轻型木结构建筑的本土化发展提供科学依据。【方法】以国产日本落叶松和国产齿板为试验材料,设计制作2种工况共6榀跨度为4.8 m的平行弦轻型木桁架。通过静力承载试验,研究轻型木桁架的极限荷载、受力分布和破坏形式,并通过建立有限元模型与试验结果进行对比分析。【结果】P和L型轻型木桁架的极限荷载平均值分别为22.45和22.94 k N,是设计荷载的2.27和2.32倍,变异系数分别为7.9%和7.1%。P型轻型木桁架最终破坏为脆性破坏,主要破坏点为桁架三分点处(即集中荷载施加处)和两端斜腹杆连接节点;L型轻型木桁架在2倍设计荷载之后逐渐出现平面外变形,当侧向变形较大时失去承载能力。通过SAP 2000有限元模拟发现,节点挠度与试验结果基本相符,挠度最大值为跨中位置,并向两端逐渐减小;弯矩最大值和轴力最大值在桁架弦杆的三分点处和两端斜腹杆节点,与试验结果相符。【结论】2种轻型木桁架在设计荷载下承载性能均较好,但由于木材非均质特性及加工差异表现出一定的离散程度;较P型轻型木桁架而言,L型轻型木桁架承载能力略高,但其面外刚度较小易发生侧向变形,在实际应用中应采取措施减小侧向变形,而P型轻型木桁架面外刚度较大相对稳定,更利于实际应用;分析认为平行弦轻型木桁架的薄弱环节在端部节点和集中荷载施加处,SAP 2000有限元模拟可以有效预测轻型木桁架在实际应用中的受力和变形情况。     

北美黄杉和云杉-松木-冷杉平行弦木桁架承载性能比较

【目的】对比不同腹杆角度下北美黄杉和云杉-松木-冷杉(SPF)华伦式平行弦木桁架的承载性能,探究腹杆角度和结构用材对华伦式平行弦木桁架承载性能的影响规律,为平行弦木桁架结构设计提供理论依据。【方法】以承载力和稳定性为验算指标,利用Smsolver结构力学求解器对平行弦木桁架各杆件的内力变化及其变形情况进行定量分析,得到平行弦木桁架腹杆角度的上、下临界角度和最优腹杆角度;采用ABAQUS有限元软件对3种腹杆角度的北美黄杉和SPF平行弦木桁架进行有限元模型分析与验证,获得不同基材平行弦木桁架在不同腹杆角度情况下的内力变化规律,判断其可能的破坏形式和受力机理;以SPF和北美黄杉为基材分别制作3种腹杆角度的平行弦木桁架,进行抗弯承载性能静力试验,探究平行弦木桁架的极限荷载、应力分布及主要破坏形式,并与有限元模拟结果进行对比,验证平行弦木桁架有限元模型分析的准确性和适用性。【结果】1)华伦式平行弦木桁架的最优腹杆角度为47°,下临界角度为34°,上临界角度为60°;2)北美黄杉平行弦木桁架的极限荷载范围为26.53～40.83 kN,跨中挠度范围为30.57～31.01 mm,SPF平行弦木桁架...     

我国平行弦木桁架研究现状

木桁架承载性能优良、节约用材、经济性好、加工施工快捷,是现代木结构的主要构件之一。以轻型平行弦木桁架为研究对象,从结构材、节点与连接、承载性能、计算理论及技术规范等方面,对我国平行弦木桁架的研究现状进行了分析梳理,并对平行弦木桁架今后的研究趋势进行了展望。     

轻型木结构剪力墙木骨架的抗侧性能

轻型木结构是以规格材作为木骨架,通过木基结构板材或石膏板覆面而成的木结构建筑,规格材与规格材、骨架与面板之间通过钉子连接.轻型木结构墙体在试验研究和实际工程中的破坏往往是由钉节点失效导致的,面板钉节点破坏后水平侧向力仅由木骨架承担,因此,单独研究木骨架水平抗侧力很重要.为了解剪力墙中木骨架在单独作用时的最大承载能力与荷...     

轻型木楼盖用平行弦木桁架的荷载试验研究

在1.9 kPa均布活荷载下,对两种腹杆体系的平行弦木桁架进行荷载试验,测试木桁架搁栅受力以及变形情况。结果表明:相同荷载情况下,两种平行弦桁架跨中以及端部的变形相近。利用有限元模拟计算出两种平行弦木桁架跨中挠度分别为4.37、4.17 mm,与试验结果相符,远低于楼板挠度限定值L/360 (L为桁架跨度)。证明利用有限元模拟方法可以准确预测平行弦木桁架在应用中的受力以及变形情况,为木桁架搁栅楼板的安全性设计提供技术支持。     

多榀木桁架的研究现状与发展趋势

轻型木桁架由于其优异的性能在现代木结构建筑屋盖与楼盖系统以及城市的"平改坡"工程中得到广泛的应用。而在轻型木桁架类别中,除普通单榀木桁架外,还包括多榀木桁架,这种多榀木桁架是由多片单榀木桁架通过连接件组合而成。多榀木桁架一般用于屋盖或楼盖系统中的关键部位,其除受到上部均布荷载外,还受到其他与其搭接的普通桁架传递的集中荷载,其受力环境较普通桁架更为复杂。这种通过多个单榀木桁架组合而成的多榀木桁架也成为现代木结构屋盖、楼盖关键承力节点处最常用的结构形式,有着广泛的应用前景。笔者结合多榀木桁架的连接节点性能、轻型木桁架的承载性能及破坏机理、加载制度和模型模拟等方面的国内外研究进展,总结了该领域的研究热点,并对多榀木桁架今后的发展尤其是多榀木桁架榀与榀之间的连接方式提出了看法。     

两种落叶松规格材齿板节点拉伸性能研究北大核心

为探究国产规格材在齿板连接性能方面存在的优劣势,完善国产结构材体系。笔者对两种国产规格材齿板连接节点的板齿极限承载力、临界刚度、破坏形式进行了研究。结果表明:不同种类木材顺纹抗拉强度差异性显著,两种国产落叶松齿板节点板齿极限承载力、临界滑移刚度、峰值区域面积均高于北美云杉。     

两种落叶松规格材齿板节点拉伸性能研究

为探究国产规格材在齿板连接性能方面存在的优劣势,完善国产结构材体系。笔者对两种国产规格材齿板连接节点的板齿极限承载力、临界刚度、破坏形式进行了研究。结果表明:不同种类木材顺纹抗拉强度差异性显著,两种国产落叶松齿板节点板齿极限承载力、临界滑移刚度、峰值区域面积均高于北美云杉。     

国产落叶松规格材齿板拉伸承载性能研究

为缓解我国结构材主要依靠进口的现状,对三种国产规格材及国产齿板进行拉伸试验,分析其破坏形式、承载力和延性。结果表明:在荷载平行于木纹方向时,兴安落叶松节点延性最好,进口云杉节点延性最差;在荷载垂直于木纹方向时,日本落叶松齿板节点延性最好,兴安落叶松节点延性最差。     

压制工艺对齿板节点受力性能影响

为了研究压制工艺对齿板节点受力性能的影响,选取荷载平行于木纹以及齿板主轴方向的AA构型齿板节点为研究对象,采用不同的压制速度和压缩率,制作了9组共45个试件。通过节点抗拉试验,得到了齿板节点的破坏特征及不同压制工艺下的板齿极限承载力。结果表明,压制速度对齿板节点的受力性能影响不显著,压缩率对齿板节点受力性能影响显著,为了提高齿板节点的受力性能,宜采用较小的压缩率压制齿板节点。笔者研究结果对于轻型木桁架的生产具有指导意义,且有助于轻型木桁架及轻型木结构的国产化。     

国产木桁架齿板连接件的研发

测试进口齿板与国产落叶松连接节点的拉伸性能,结果表明国产落叶松规格材完全可以替代美国南方松来制作齿板连接木桁架。提出3种国产齿板设计方案,使用国产镀锌钢板制作了国产齿板,并对国产齿板连接节点进行测试,指出国产齿板达到了批量生产的要求,改进方案可以提高齿板连接的性能,但国产齿板需要在加工工艺上进行调整,才能用于实际木桁架生产。     

圆钢钉和自攻螺钉钉入角度对规格材握钉力性能的影响

【目的】基于规格材上不同角度钉入圆钢钉和自攻螺钉的握钉力性能测试,研究不同钉入角度、木材密度和木材径、弦向对握钉力性能的影响,为木结构钉连接设计提供更完善的科学依据。【方法】以落叶松和白云杉规格材为研究对象,参考握钉力性能试验国家标准,选取国产直径2. 5 mm的圆钢钉和直径4. 0 mm的自攻螺钉,长度均为50 mm,在满足国标最小钉边距、端距和间距的要求下,与木纤维分别成90°(横纹)、60°、45°和0°(顺纹)钉入规格材,在自主设计的多角度握钉力试验夹持装置上以3 mm·min-1恒定速度拔出并得到破坏荷载,比较分析不同条件下的握钉力。【结果】1)随着钉入角度减小,钉拔出时的荷载-位移曲线峰愈加尖锐,自攻螺钉握钉力大于白圆钢钉,密度较大的落叶松的握钉力大于白云杉,且对自攻螺钉的握钉力刚度明显大于白云杉,但相同角度条件下拔出时的荷载-位移曲线特征基本相似; 2) 90°钉入时圆钢钉和自攻螺钉的握钉力均大于0°,但从90°到0°圆钢钉的握钉力先增大后减小,而自攻螺钉则相反; 3)白云杉径面自攻螺钉的握钉力大于弦面,其圆钢钉的握钉力没有规律,落叶松径面圆钢钉的握钉力小于弦面,其自攻螺钉的握钉力没有规律。【结论】钉与木纤维之间的角度对规格材握钉力具有显著影响,随着角度减小,规格材对自攻螺钉的握钉力先降低后增大,而对圆钢钉的握钉力则相反。规格材径面和弦面的握钉力没有确定关系,在木结构握钉力设计值计算时无需考虑年轮角度参数。欧洲木结构设计规范(BS EN 1995-1-1:2004)推荐的计算公式为螺钉握钉力随着钉入角度减小而减小,测试结果证明该公式在0°时握钉力估算过于保守。端面钉入的自攻螺钉被拔出时,荷载-位移曲线和破坏特征均表明其为明显的脆性破坏,在实际工程中木构件端面上使用自攻螺钉连接需要有效的增强措施和强度验算。     

马尾松木材径向与弦向抗弯性能及破坏特征的比较研究

马尾松木材早晚材急变,致使径、弦向性能差异显著。研究了径、弦向弯曲荷载作用下马尾松木材抗弯强度、抗弯弹性模量及破坏形态的差异,使用扫描电子显微镜观察了径、弦向受力时破坏面的区别。结果表明:马尾松木材的抗弯强度、抗弯弹性模量均是弦向大于径向,且差异显著。径、弦向拉伸断裂面均比较粗糙;剪切破坏通常发生在管胞间,裂纹会沿着纹孔的边缘扩展,纹孔常呈现出完整形态。弦向受力时,拉伸断裂面表层管胞扭转现象明显,管胞壁产生裂隙,剪切破坏发生在径切面的木射线细胞处。径向受力时,拉伸断裂面表层管胞无明显扭转现象,剪切破坏发生在早晚材边界处。     

基于ABAQUS不同节点的木构架分析北大核心

为了解木结构建筑不同节点形式抗震性能与受力特性,通过ABAQUS有限元软件建立了透榫和燕尾榫两种榫卯节点,柱脚节点分别为柱脚固接、柱脚带销节点(管脚榫)以及柱脚平置浮搁的木构架模型。在不同单柱轴力的情况下对其进行低周往复荷载模拟,研究木构架循环受力过程的柱脚应力分布特征以及抗震性能,探讨不同轴力、不同柱脚节点、不同榫卯节点对木构架的影响,并基于骨架曲线提出了柱脚平置浮搁木构架的水平荷载-水平位移简化双折线模型。结果表明:在往复荷载下,当柱脚节点为管脚榫和柱脚平置浮搁时,木构架会类似于摇摆柱,表现为柱脚翘起,反复抬升。相对于柱脚固接与透榫木构架,管脚榫、柱脚平置浮搁与燕尾榫木构架的滞回曲线更加饱满,耗能能力更强。柱脚固接木构架有更强的刚度与水平承载力。随着轴力的上升,木构架的刚度与水平承载力也随之上升。研究成果可为传统木结构建筑的保护与状态评估提供基础。     

胶合木-钢夹板螺栓连接滞回性能试验

【目的】为探明胶合木-钢夹板螺栓连接的动力性能和抗震性能,确保连接件在车辆、机械振动等动力荷载下的可靠性。【方法】针对胶合木-钢夹板螺栓连接的构造特点,考虑胶合木厚度和螺栓直径之比(厚径比)、螺栓顺纹间距、螺栓并列和错列布置方式等参数的影响,设计制作了4类13组共39个胶合木-钢夹板螺栓连接件,在低周反复荷载作用下进行滞回性能试验。【结果】试验结果表明:在单螺栓连接中,连接部位的破坏模式逐渐由"螺栓刚直"向"双铰"转化,胶合木销槽破坏模式逐渐由销槽整体承压破坏向两端部挤压破坏转变,试件滞回曲线基本都呈现饱满的弓形和棱形,具有良好的耗能能力和抗震性能,但其承载能力较低。在多螺栓连接中,螺栓和胶合木的破坏模式分别以"双铰"破坏和销槽端部挤压破坏为主,试件滞回曲线均呈现饱满棱形,该类试件在承载能力、抗震性能和耗能能力上均有大幅提升;随着螺栓顺纹间距的增大,试件的承载能力不断增大,但螺栓顺纹间距在200 mm时,极限荷载增幅趋于平缓,初始刚度增涨大幅放缓,且整体刚度退化与螺栓顺纹间距为250 mm时基本相同;螺栓并列布置滞回曲线饱满程度好于错列布置;螺栓双排布置承载能力比单排布置的承载能力更高,刚度退化更小。【结论】胶合木-钢夹板螺栓连接具有较好的耗能能力、抗震性能及延性性能;螺栓顺纹间距在200 mm时,抗震性能最佳;螺栓错列布置的抗震性能比并列要好,螺栓双排布置的抗震性能更优越。     

旧面板对轻型木结构钉节点力学性能的影响

旨在通过新、旧定向刨花板(OSB)面板钉节点的对比研究,探究面板自然劣化对钉节点连接性能的影响,为今后的木结构设计和用材作参考。选取云杉-松木-冷杉规格材(SPF)、不同厚度的新旧OSB和国产麻花钉,将麻花钉垂直钉入OSB和SPF之间,依据荷载垂直于木材纹理和平行于木材纹理两种方向,共制作72个钉节点连接试件。试验参考ASTM D1761-12,对试件进行单调加载,研究不同厚度自然劣化后的旧OSB面板在横纹和顺纹连接情况下对轻型木结构钉节点力学性能的影响。结果表明:新旧OSB连接对比,除延性系数外,旧OSB面板与SPF连接的钉节点试件的荷载、刚度、耗能能力等都呈下降趋势;厚度不同的OSB连接对比,12. 0mm厚度的OSB面板连接的钉节点的荷载、刚度、延性系数、耗能能力都大于9.5 mm的OSB面板连接的试件,且12.0 mm旧板连接的力学性能下降幅度小于9.5 mm;在荷载、初始刚度、延性方面,旧板横纹连接小于顺纹连接的下降幅度;在耗能上,旧板横纹连接与顺纹连接区别不明显。试验中多发生钉子一铰弯曲和OSB、SPF破坏的试验现象,符合欧洲木结构设计规范中的破坏模式,因此可用欧洲规范计算本研究中钉连接节点最大荷载。     

开孔洞单板层积材搁栅受力性能分析及胶合板增强研究

分析了开孔单板层积材搁栅的破坏模式,对比了在不同位置处开孔对搁栅破坏的影响,并研究了在孔洞周围使用钉接胶合板进行强化的方法。试验结果表明:开孔严重影响LVL搁栅的力学性能,且随着孔径的增大,承载能力削弱程度增大;在侧边开孔削弱了搁栅的承载能力但对其刚度无影响,在跨中位置开孔削弱了搁栅的承载能力,同时降低了搁栅刚度;在孔洞周围使用钉接胶合板强化法,提高了搁栅的承载能力;增加胶合板厚度和钉子数量,搁栅的承载性能整体呈上升趋势;胶合板对开孔搁栅的强化能力取决于两者间的有效贴合程度。     

无损检测技术评估规格材的性质

采用两种应力波设备对北美黄杉规格材进行抗弯强度性质的预测,分析规格材破坏模式,并讨论木材节子对规格材强度的影响。测试结果表明,动态与静态测试结果之间的相关程度较高。结构材的破坏模式主要为纹理断裂和脆性断裂;在规格材中间部位节子较多,且节子在规格材横断面上投影面积较大时,易发生脆性断裂。     

基于有限元法超细木粉的力学分析

超细木粉属于微纳米木粉,将其填加到复合材料中可使复合材料的性能得到改善。依据超细木粉粒径的大小和木材细胞的结构特点,分析在加工超细木粉过程中必须进行细胞的破壁力计算,并以针叶材细胞的微观结构为受力分析依据,建立单一细胞受力模型。用四根铰接桁架杆单元来模拟细胞外壁,用两根交叉铰接桁架杆来模拟细胞内压力,即用六根桁架杆单元结构模拟单一针叶材细胞。对单一细胞模型外施均布载荷分析各杆单元的受力、变形及压溃情况,利用结构力学和有限元法分别对单一细胞和多细胞状态下进行模拟受力分析。将其结果作为设计超细木粉机加工刀具的理论依据。     

杉木目测等级规格材足尺抗压和拉伸强度的设计值研究

杉木具有生长周期快、力学性能好、耐腐性强等优点,被广泛应用于工程木产品的制备,如规格材、胶合木和木基复合材料。但是由于缺少设计值,其在建筑结构领域的使用存在安全隐患。先根据加拿大NLGA分等规则,将杉木规格材分为SS(structural select)、No.1和No.2三个等级,再根据ASTM D4761-02和ASTM D198-02分别进行足尺的抗压和拉伸测试,选取正态分布和对数分布对测试数据进行拟合,利用K-S检验对正态分布和对数分布进行拟合优度检验。参照木材容许应力法和ASTM D2915-03计算杉木规格材设计值。结果表明:No.1等级规格材在15%含水率条件下的抗压和拉伸强度最小,其主要缺陷为节子,对力学性能影响较大;No.2等级规格材主要缺陷为钝棱,对强度影响不大。SS等级规格材的抗压和拉伸测试数据与对数分布拟合效果更优;No.2等级规格材的抗压和拉伸测试数据与正态分布拟合效果更佳。SS、No.1和No.2等级规格材抗压强度参考设计值分别为11.50,11.33和11.05 MPa,拉伸强度参考设计值分别为8.95,8.15和7.18 MPa。