高温预处理对足尺胶合木梁力学性能的影响

【目的】研究高温预处理对足尺胶合木梁力学性能的影响,明确高温热改性和环境湿度对木材平衡含水率、木材顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度的影响规律,揭示高温预处理对胶合木梁抗弯性能影响的作用机制,为高温热改性技术在木结构领域中的应用提供参考。【方法】以高应力等级的兴安落叶松为研究对象,采用工业化热处理技术对落叶松木材进行高温热改性,以高温热改性后的落叶松木材为层板,制备12个足尺胶合木梁。基于EN 408标准四点弯曲方法,分析高温热改性和环境湿度对胶合木梁抗弯弹性模量、抗弯强度、破坏模式、跨中截面荷载-应变曲线和跨中截面应变分布规律等抗弯性能的影响。【结果】高温热改性会在一定程度上降低胶合木梁的抗弯强度,但可明显提高高湿度条件下胶合木梁的抗弯弹性模量,与90%环境湿度下未处理胶合木梁相比,高温热改性后,同湿度下胶合木梁的抗弯强度降低29. 79%,抗弯弹性模量提高23. 71%;高温热改性可降低胶合木梁抗弯弹性模量对环境湿度的敏感性,环境湿度从60%提高到90%,未处理胶合木梁的抗弯弹性模量降低23. 27%,经高温热改性预处理的胶合木梁抗弯弹性模量降低7. 55%; 60%和90%环境湿度下的荷载-位移曲线和跨中截面应变分布曲线表明,胶合木梁在高湿环境中具有更明显的非线性特性,高温预处理后的胶合木梁表现为线弹性。环境湿度对胶合木梁的抗弯性能具有较为明显的劣化作用,90%湿度下胶合木梁抗弯强度和抗弯弹性模量分别为43. 98 MPa和12. 191 GPa,比60%湿度下未处理胶合木梁低17. 07%和23. 27%;环境湿度对木材平衡含水率影响明显,高温热改性是降低木材平衡含水率的有效措施,环境湿度从60%提高到90%,高温热改性处理后落叶松木材平衡含水率分别从10. 74%和20. 62%降至4. 76%和11. 18%。【结论】60%和90%环境湿度条件下,未处理胶合木梁为拉伸破坏,高温热改性构件为拉剪联合破坏,高温热改性后材料的顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度降低是材料破坏模式改变的根本原因。高温热改性后胶合木梁在高湿环境条件下抗弯弹性模量明显改善。     

杉木胶合木湿应力研究

为揭示环境湿度变化引起的木材含水率非均匀性分布对胶合木构件内部湿应力的影响规律,从材料层面测试了变湿度条件下290个国产杉木木材的平衡含水率,以及横纹径向和横纹弦向干缩性、湿胀性、水分扩散系数、抗拉强度和弹性模量等物理力学性能参数,并从理论层面利用有限元模拟分析周期性变湿度条件下层板厚度对杉木胶合木湿应力的影响。研究结果表明:利用Nelson方程能够较好地拟合变湿度中杉木的平衡含水率;杉木横纹径向干缩和湿胀性均小于横纹弦向,横纹径向水分扩散系数、抗拉强度和弹性模量均高于横纹弦向,这决定于横纹径向排列的木射线以及管胞径面壁上大量纹孔导致的实质物质减少的微观构造;减小层板厚度有助于降低胶合木湿应力,当层板厚度由40 mm降至20 mm时,构件内部最大湿应力降低19.32%,但其最大值仍高于木材横纹抗拉强度,湿应力的降低程度不足以避免构件的横纹开裂;木结构工程设计和应用中必须考虑其他有效的方法减小湿应力以避免木材横纹开裂。