竹-原木组合梁受弯承载力试验与数值模拟

【目的】竹、木结构使用越来越广泛,传统竹、木结构跨度、结构尺寸和承载力受到材料特性多因素影响,大多以钢木、木混等组合居多,竹木组合结构很少,对竹木组合结构受力特性研究甚少。揭示竹木组合梁结构受力特性与承载力计算关系。【方法】以原木为骨架,利用环氧树脂胶合剂连接竹集成材一种竹-原木组合梁试验模型,采用结构尺寸和特性一致的3根原木梁和3根竹-原木组合梁,进行了三分点加载受弯对比试验,分析两种结构梁的破坏形态、极限承载力、抗弯刚度和应变变化规律。【结果】1)原木梁和竹-原木组合梁均发生脆性破坏,两种原材料天然缺陷对受弯承载力有较大影响。2)跨中截面沿高度应变仍基本符合平截面假定,说明竹材和木材能够协同工作。3)竹-原木组合梁相比原木梁组平均值抗弯承载力提高了38.8%,刚度提高43.3%,跨中挠度增加24.2%。4)竹原木组合梁受弯承载力计算简式的理论计算与与试验结果进行对比,竹-原木组合梁极限承载力相比原木梁提高37.36%与试验结果提高38.8%,平均误差值在5%以内。【结论】说明竹片充分发挥抗拉性能,抗弯刚度和承载力均有较大提高;假定推理出了数值模拟与试验结果吻合较好,该研究成果对于竹-木组合结构设计以及在木结构工程中的应用提供了试验和理论依据。     

长期荷载作用对钢-竹组合箱形柱力学性能的影响

为研究长期荷载作用对钢-竹组合箱形柱力学性能的影响规律,以长期荷载水平、截面尺寸、有无螺钉为参数设计制作了9根钢-竹组合箱形短柱试件,其中6根为长期试件,施加长期荷载后实施二次轴心受压破坏试验,其余3根作为对比用的短期试件,直接进行一次轴心受压破坏试验。对比分析长期试件和短期试件的破坏过程、破坏形态、破坏特征,探讨长期荷载作用后的钢-竹组合箱形短柱的荷载-应变关系、极限承载力、构件延性等力学性能的变化规律。结果表明:长期荷载水平对试件极限承载力和延性系数有一定的影响,但对屈服承载力的影响不明显;增大截面尺寸,试件屈服荷载提高,极限承载力和延性系数降低;螺钉可以提高试件延性系数而对承载力影响不明显;长期荷载作用后试件极限承载力和延性均有一定的衰减,但极限承载力仍高于1.5倍的屈服承载力、延性系数大于2.0,说明长期荷载作用后,钢-竹组合箱形柱仍具有良好的强度贮备和延性性能,能够作为长期受力构件用于实际工程结构。     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验

针对损伤严重钢筋混凝土梁进行环氧树脂修复与碳纤维布加固,加固之后进行力学性能试验,试验结果表明,三根损伤严重破坏的钢筋混凝土梁加固修复处理后,梁的荷载挠度曲线及荷载应力曲线呈现线性,极限承载能力提高达50%左右,结构延性略有下降,结构破坏形态类似受弯构件正截面破坏。试验证明,采用的碳纤维布加固和环氧树脂修复已破坏的钢筋混凝土构件的方法是行之有效的,可为实际工程加固设计提供理论和实际参考。     

粘钢加固钢筋混凝土柱正截面承载力理论研究

通过分析粘钢加固钢筋混凝土柱的计算模型,探讨钢板、结构胶和混凝土三者的工作机理和本构关系,并基于基本假定,推导出粘钢加固钢筋混凝土柱正截面承载力计算方法,应用该方法计算的承载力与有限元计算结果偏差小,该方法科学合理、实用。     

木骨架竹条覆面墙板竖向承载力试验研究

为研究木骨架正交斜放竹条覆面墙板的竖向承载能力,设计了3种覆面组合墙板试件(双面竹条,竹条-石膏板,层板-石膏板),每种墙板试件各3块,尺寸为1 200×1 200 mm。通过对试件进行竖向承载力试验,研究对比分析3种覆面组合墙板的破坏模式,荷载-变形曲线以及极限承载力。试验结果表明:墙体破坏初期,竹条覆面部分发生弯曲,层板与石膏板中部发生弯曲;继续加载,覆面与龙骨连接铁钉拔出,部分竹条失去与墙体连接,层板石膏板发生弯折破坏;最终,竖向龙骨整体失稳导致墙体破坏。层板-石膏板组合墙板竖向龙骨表现为墙板平面内失稳破坏,覆面为竹条的组合墙板竖向龙骨表现为墙板平面外失稳破坏。分析结果表明:正交斜放竹条覆面可提高试件竖向承载能力,且延性优于层板-石膏板覆面墙板试件。     

胶合竹片胶层开裂数值模拟研究

为了建立竹材胶合性有限元模型,分析胶合参数对胶合竹集成材性能的影响,为竹集成材数字化优化设计提供参考和指导。应用损伤内聚力单元模型分析胶合搭接竹片,建立竹材胶合开裂数值模型,研究胶接竹片在受载情况下滑剪破坏过程以及搭接长度对胶合竹片承载能力的影响。在位移载荷作用下,开始时胶合层的应力随着弹性变形位移的增加而增加,当达到一定值时胶层开始出现开裂,胶层破坏,且最大应力发生在靠近胶合层边界上;搭接竹片胶合能力随着搭接长度增大而增大。实验结果验证所建数学模型有效,对竹集成材进一步分析和应用提供理论技术支撑。     

正交胶合木抗压承载力试验研究

为获得正交胶合木（CLT）截面的综合抗压性能，对由云杉-松-冷杉（SPF）制成的CLT试件进行抗压试验，并基于复合层板理论计算CLT的抗压强度、泊松比及弹性模量等，旨在为CLT力学性能测试提供参考。制作了9个尺寸相同的CLT试件进行轴心受压试验，分析其极限承载力、纵向应变、横向应变、泊松比等的变化规律；依据《木结构设计标准》预测试件的理论承载力并辅以有限元验证。结果表明：荷载-轴向位移试验曲线呈典型的二折线特征，轴压力下试件分别经历了弹性和弹塑性阶段直至试件破坏；经换算得到的SPF等效弹性模量为10 011.57 MPa，抗压强度为35.16 MPa，泊松比为0.39，理论计算值与试验值较为吻合；弹性段有限元模拟结果与试验值吻合良好。     

异形柱梁柱长度对节点核心区受力影响的有限元分析

选取高跨比、长跨比作为粱、柱伸出长度对节点核心区受力影响的主要参量,以截面应力变化趋势作为定量判定依据,对处于弹塑性阶段的L、T形柱进行了非线性有限元分析,得出了同种加载方式受力情况下适用的高跨比、长跨比.     

空心胶合木柱轴心受压性能研究

【目的】节能环保理念越来越受关注,木材作为绿色环保的可再生建筑材料可应用在工程中,目前国内木建筑中应用的木柱主要局限于原木圆柱,为了提高木材利用率,同时降低成本,改善受力性能,满足工程需要,提出一种新型的空心胶合木柱,并进行试验研究分析。【方法】使用相同尺寸拱形锯材作为骨架,利用环氧树脂胶粘剂进行胶合,制作3根空心胶合木柱试件进行轴心加载受压试验,研究空心胶合木柱的轴压力学性能,在试验过程中通过仪器记录应变、应力和位移等数据,主要分析木柱的竖向与横向应变、竖向与侧向位移、稳定承载力等特性,并利用ABAQUS有限元软件进行建模对比分析,探讨木柱最终破坏特征。【结果】空心胶合木柱破坏形态主要是整体压屈破坏,达到极限荷载80%左右时,承载能力快速下降,侧向位移随荷载增加而迅速增大,加载过程中存在多个增长台阶;与同截面积原木圆柱比较,理论承载力提高了4.3%,计算得承载能力稳定系数为0.9,材料缺陷对轴心承载力有影响;通过有限元建模分析,材料在弹性阶段理论值与试验值吻合程度较好。【结论】空心胶合木柱应用在实际工程中是可行的,能够满足工程使用需求,充分利用小型锯材,提高了木材利用率,降低了成本,相较于原木圆柱受力性能更好。     

基于SAP2000分析的预应力胶合木连续梁调控效果

为了充分利用胶合木的抗压强度,常在梁中施加预应力,但受反拱幅度等影响,施加预应力需控制在合理范围内。通过SAP2000有限元程序建立分析模型,与试验结果对比验证其可行性后,对8种调控幅度的梁进行分析,得到荷载-挠度曲线、梁截面应力云图、极限承载力及合理调控范围。结果表明,调控幅度为极限荷载的18%～48%时,极限荷载增大3.65%～58.1%,胶合木连续梁的承载力基本呈线性增加;调控幅度为54%时,梁因破坏形态发生改变承载力开始下降。预应力胶合木连续梁的合理调控范围为极限荷载的24%～42%。     

Fire resistance of sugi covering materials for structural steel

Glued laminated timbers (glulam) or planks 50mm thick were added to structural steel columns and beams as covering materials. The wood used in the glulam was sugi (Cryptomeria japonica D. Don) laminated with resorcinol resin adhesive between woods and epoxy resin adhesive between wood and steel. The 50mm thick planks of sugi around the steel were fixed with spirally threaded nails (screws), and 25mm long wood plugs were used to cover the tops of the nails. The 50mm thick glulam showed 1h of fire resistance. The temperatures of the flanges and webs of steel were 100°C at 1h and 200°C after 4h. The epoxy resin used to bond the wood and steel was an appropriate adhesive from a recycling perspective because it is easy to separate or peel from the steel.     

竹板增强单板层积材组合梁受弯性能

单板层积材加工成梁构件应用于建筑结构材时,由于材料本身的强度和刚度不足,其结构构件不能满足现代多、高层以及大跨度建筑的需求。竹集成材是原竹经过切削成竹片、低温干燥、碳化、涂胶,再同方向平面或侧面组坯、热压胶合而成的竹基复合材料,其力学性能与稳定性优于木材。将集成竹材作为增强材料用于加固单板层积材梁是一种简单有效的提高梁极限承载力的方法。通过进行竹板增强单板层积材组合梁四点弯曲试验,研究了集成竹板对单板层积材受弯性能的增强效果。结果表明,在单板层积材受弯构件上下部粘贴集成竹板可提高构件极限承载力10%～50%。同时,考虑单板层积材和集成竹材料的非线性,推导出了适用于组合梁的极限承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。     

典型直榫梁柱节点在现代木结构中的应用研究

基于Abaqus有限元分析,对不同榫长的实木榫卯连接梁柱节点和榫长为75 mm的不同层数的正交胶合木(CLT)榫卯连接梁柱节点进行数值模拟,分析其受力状态并提取荷载-位移曲线,与使用金属连接件连接的梁柱节点承载力进行对比,探究将榫卯连接应用在现代木结构中的理论依据。研究表明:竖向荷载作用下,榫长75 mm的榫卯连接梁柱节点承载能力处于M8和M10螺栓连接梁柱节点的理论承载力之间;当榫长增大时,节点的最大承载力逐渐提高,榫长150 mm的榫卯节点承载力已经略微超过M12螺栓连接时的理论承载强度,说明榫卯连接梁柱节点在承载能力上可以满足现代木结构建筑的使用要求。由于榫卯节点的承载力主要受到顺纹抗压强度的影响,因此相比于实木连接榫卯节点,CLT榫卯节点的承载力无显著提高。     

云杉胶合木钢板斜螺钉连接的剪切性能研究

为准确评价斜螺钉连接钢 木节点的剪切性能,探明其受力机理,以云杉胶合木、钢板和自攻螺钉作为研究材料,测试不同荷载方向与受力情况下斜螺钉连接节点的承载性能,将试验数据与国外规范中的计算模型进行对比,提高了侧边钢板 胶合木(钢 木)斜螺钉连接节点承载性能的预测能力。结果表明:自攻螺钉与剪切面之间的角度变化对其在钢 木节点承受剪 压复合应力的承载力影响不明显,当偏转为剪 拉复合应力时,节点承载力明显增大,并在30°~45°获得最大值;剪 压复合应力时,现行EC5公式计算剪 压节点的极限承载力非常不安全;EC5的刚度预测结果在剪 压复合应力区和垂直剪切面钉入时,与试验值吻合度很高,但对剪 拉区节点的滑移模量没有预测性;将Tomasi模型应用于斜螺钉连接钢 木节点滑移模量理论计算时,在45°~90°时与试验值吻合度极高。单颗自攻螺钉的抗拔刚度计算节点滑移模量的方法极为有效,具有较高的借鉴意义。     

Development of LVL frame structures using glued metal plate joints II: strength properties and failure behavior under lateral loading

In past years high priority was given to developing a seismic design for wood structures, including research on the response of wood structures to earthquakes. In this study a new type of portal frame with relatively large span was developed for the traditional Japanese wooden houses with large openings at the front to strengthen the structure. Stainless steel plates coated with zinc and glued with epoxy adhesives on laminated veneer lumber (LVL) members, composed of Douglas fir veneer and bonded with phenolformaldehyde resin, were used. The connection between the frame's beam and columns and between the columns and groundsills was mechanical, with bolts. The subject of this research was to analyze strength properties and failure behavior of glued LVL metal joints used as structural components and to evaluate the response of LVL portal frames under cyclic lateral loading. The results show that portal frames using glued LVL metal plates have a good multiplier for the shear walls and may be applied to traditional Japanese structures. The equivalent viscous damping provided good energy dissipation in the frames. The joints displayed good mechanical behavior during tests; moreover, the structures demonstrated high strength, stiffness, and ductility, which are necessary for a seismic design.Part of this paper was presented at the 47th annual meeting of the Japan Wood Research Society, Kouchi, April 1997; and at the 5th world conference on timber engineering. Montreux, Switzerland, August 1998     

环氧树脂/木质碎料复合材料力学性能

以环氧树脂为胶结材料、不同类型的砂和木质碎料作为集料,利用平板振捣器,采用振实法制备了树脂基木质碎料复合材料。分析环氧树脂用量、木质碎料用量以及砂类型对树脂基木质碎料复合材料的抗折、抗压强度的影响规律。结果表明:试件的最大抗压、抗折强度分别可达5.74和17.16 MPa;在相同胶集比下,试件强度随着木质碎料掺入量的增加而减小;而在相同木砂比下,试件强度随着树脂掺量的增加而提高;随着木质碎料减少和树脂含量的增加,使用不同种类的砂制备的试件力学强度逐渐增加,但增长速率变小;在相同配比的情况下,河砂配制试件的抗压、抗折强度分别高于标准砂配制试件的22%和12%;试件在抗折试验中出现斜裂缝,且一侧为翘起变形的拔出形破坏形态。通过正交试验分析确定了木砂比为试件力学性能的主要影响因素,最佳配比中木砂质量比为1∶3(采用河砂)、胶集比[树脂质量/(木屑+砂)的总质量]为0.3。试验表明利用木质碎料制备树脂基复合材料是切实可行的,为废弃木材的利用开辟了一条新途径,可为木质碎料与树脂形成树脂基木质碎料道路铺装材料的研究与推广提供参考。     

炭化竹板环氧树脂浸渍量的研究

采用常规浸渍的方法,炭化竹板的环氧树脂浸渍量低。本研究针对这一问题,采用加压浸渍的方法来提高炭化竹板的环氧树脂浸渍量。试验证明,通过加压的方式可明显提高炭化竹板的环氧树脂浸渍量。这为进一步研究炭化竹板与木材复合打下基础。     

环氧沥青混合料钢桥面铺装复合结构试验研究

针对某钢箱梁桥大交通量、重车比例高和夏季高温的具体情况和特点,采用环氧沥青混合料为钢桥面铺装,开展以带钢板的环氧沥青混合复合梁为研究对象的一系列试验。其中拉拔试验为测试疲劳过程对钢桥面铺装黏结层的影响;60℃时超载40%和60%两种超载荷载的疲劳试验为测试最佳疲劳油石比所对应的环氧沥青混凝土铺装的高温抗超载疲劳性能;极限弯曲试验用于确定复合梁试件的极限承载力;变温度变荷载疲劳试验用于预测钢桥面环氧沥青混凝土铺装在设计使用年限内所表现的性能或铺装层的使用寿命。试验结果表明所设计的环氧沥青混凝土铺装具有较强的抗高温超载疲劳能力,同时对荷载是十分敏感的。该铺装结构在正常的使用条件下可以满足设计使用要求。     

Prediction of the load carrying capacity of bolted timber joints

Failure of bolted timber joints is analyzed experimentally and numerically. In this study, the prediction of the load-carrying capacity of dowel-type joints with one dowel under static loading is based on the analysis of fracture in wood contrarily to most engineering methods that are based on the yield theory. Mechanical joints consist of glued laminated spruce members and steel dowels. In the different analyzed tests, the bolt loads the wood parallel or perpendicular to the grain. The wood member thickness is chosen sufficiently thin to avoid the fastener from presenting plastic hinges. The influences of different structural parameters such as the dowel diameter, the edge- and end-distances are investigated. The fracture propagation analysis is carried out with the Finite Element (FE) method in the framework of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). The only identified parameter is the critical energy release rate in mode I (G_Ic). The comparison between experimental and numerical results shows that the fracture must be considered for a correct prediction of the ultimate load and that LEFM can help to improve design codes. Received 11 August 1997