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...     

日本落叶松规格材齿板节点承载性能

【目的】研究国产规格材与国产齿板连接节点的拉伸及抗剪承载性能,为国产建筑材料的开发利用提供参考。【方法】以采自辽宁清原大孤家林场的日本落叶松规格材及市购国产齿板为试验材料,设计制作4种工况下的板齿极限强度试件及10种工况下的齿板抗剪强度试件,通过拉伸和剪切试验,研究不同工况下日本落叶松齿板连接节点的板齿极限强度和齿板抗剪强度,并与进口齿板和进口SPF规格材进行对比。【结果】日本落叶松与国产齿板连接节点的板齿极限强度在AA、AE、EA和EE 4种工况下分别为3.50、2.53、2.61和2.37 N·mm-2,通过比较日本落叶松与国产齿板、进口齿板2组结果,除EA工况下进口M20齿板强度略低外,在AA、AE和EE 3种工况下分别高于国产齿板10.57%、21.34%和9.28%,对比进口M20齿板与日本落叶松、进口SPF 2组结果,在AA、AE、EA和EE 4种工况下与日本落叶松的组合分别高于与进口SPF的组合36.27%、50.49%、30.00%及40.00%;齿板抗剪强度在θ=0°、θ=90°、θ=30°T、θ=60°T、θ=120°T、θ=150°T、θ=30°C、θ=60°C、θ=120°C和θ=150°C 10种工况下分别为132.39、122.73、135.66、199.13、92.26、172.76、99.81、89.52、79.10和85.68N·mm-1,除剪-拉复合受力情况下θ=120°时国产齿板和日本落叶松组合的齿板受剪极限强度较小外,其他工况均大于进口齿板与进口SPF的节点组合。【结论】板齿极限强度试验在4种工况下的破坏方式均为齿拔出破坏,齿板抗剪强度试验主要破坏方式为木材接缝处开裂、齿板端部齿拔出和齿板在木材接缝处翘曲等;荷载方向对齿板连接节点承载力影响较大;国产齿板和国产日本落叶松的齿板连接性能较好,且优于常见进口齿板和进口SPF的节点组合,可进一步研究国产齿板和国产日本落叶松制成轻型木桁架的承载性能,为完善我国木结构建筑体系提供科学依据。     

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。     

杆件摆放方式对平行弦木桁架承载力的影响

通过对两种摆放方式(规格材立置和平置)的平行弦木桁架进行静载试验,测试其上下弦各节点挠度,分析杆件摆放方式对木桁架刚度、承载能力和破坏模式等力学性能的影响。结果表明,规格材杆件立置的平行弦木桁架具有较高的刚度和极限承载力,破坏以杆件劈裂为主;而杆件平置的木桁架破坏主要发生在齿板连接的节点处。木桁架弦杆接长对其承载能力影响显著,此处安全性能要求更高,必要时应对对接节点处进行加强处理。     

轻型木桁架受力性能的有限元模拟

轻型木桁架是轻型木结构中重要的承重构件,为了研究其受力性能,考虑齿板连接的构造特点及非线性特性,建立了轻型木桁架的有限元模型。通过与其受力性能的试验结果对比,验证了模型的准确性;对不同荷载模式、不同高度、不同构造形式的轻型木桁架的分析表明,轻型木桁架有限元模型的模拟方法操作简便、精度较好,有助于轻型木桁架受力性能的模拟研究,并推动轻型木桁架的国产化。     

木-钢组合箱梁抗弯性能试验及有限元对比分析

【目的】为促进木结构在大型工程中的应用范围,本研究提出了一种以落叶松胶合木板作为上下翼板、焊接冷弯薄壁槽钢作为腹板并通过螺栓连接的木-钢组合箱梁。【方法】采用分级加载的方式分别对3根木-钢组合箱梁和1根木箱梁进行弯曲加载试验,观测组合箱梁和木箱梁在荷载作用下翼缘和腹板的应变变化、挠度的发展、破坏过程及形态变化,研究其抗弯极限承载力和抗弯刚度等力学性能,并基于ABAQUS建立了有限元模型对组合箱梁及胶合木箱梁进行数值模拟分析。【结果】组合箱梁的翼板与腹板组合性能较好,最终均为下翼缘木板受拉断裂的破坏模式,同时伴随着钢材局部屈曲和上翼缘木材的局部劈裂等破坏;木箱梁为腹板顺纹剪切破坏。相比胶合木箱梁,组合箱梁的抗弯极限承载能力平均提升了30.33%,但初始刚度平均降低了34.42%;根据翼板横向应变分布计算了木箱梁和木-钢组合箱梁上翼缘的剪力滞系数以及有效分布宽度。有限元模型与试验结果吻合良好,能有效预测木-钢组合箱梁及胶合木箱梁的弯曲性能。【结论】木-钢组合箱梁充分发挥了木材和钢材的力学性能,相比于纯木箱梁,抗弯承载力提升显著,说明木-钢组合箱梁是一种科学合理的组合形式,研究成果可为木-钢...     

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。     

组坯方式对正交胶合木双向板弯曲性能的影响

【目的】近年来,随着国家在节能减排方面的要求提高,以及大力倡导使用新型绿色材料,木材作为一种传统绿色环保的建材逐渐受到人们的青睐。正交胶合木（CLT）板是近年来兴起的一种建造现代木结构建筑的新型构件,具有良好的整体性、稳定性以及较高的强度。为了研究组坯方式对正交胶合木（CLT）双向板的弯曲性能,本研究采用2种组坯方式（三层交叉和四层交叉）制作了2组厚度相同的胶合木双向板试件,研究其静力弯曲性能。【方法】用于制作试件的原材料为兴安落叶松板材与聚氨酯结构胶粘剂,制作2组、每组2个共4个正交胶合木双向板试件,通过千斤顶在板的跨中施加单点集中荷载,同时测试和分析应变、挠度和极限荷载等数据,观察裂缝开展及破坏形态,研究胶合木双向板的弯曲性能,探讨其最终破坏特征和破坏机理;运用正交各向异性弹性薄板理论对CLT双向板进行了挠度分析,并与试验结果进行了比较。【结果】正交胶合木（CLT）双向板的破坏形态主要是板底横纹受拉破坏,当加载至极限荷载80%左右时,承载能力快速下降。对于相同厚度的CLT板,四层组坯与三层组坯相比,受弯承载力提高了22.7%。【结论】对两组胶合木双向板构件的结构力学性能（平均值）进行比较,三层正交胶合木双向板与四层正交胶合木双向板相比,厚度相同的双向板在四边简支的情况下增加板的胶合层数能提高双向板的整体承载能力。正交各向异性弹性薄板理论计算正交胶合木双向板弹性阶段的挠度值与试验值吻合较好,表明提出的方法合理、可靠。     

交变荷载下木构件增强端部钉节点抗剪性能

为克服木构件端部易开裂、力学性能差等不足,采用粉状碳纤维对木材端面进行增强处理,研究了木构件增强后端部钉节点在交变荷载下的受剪性能。结果表明:在单调荷载下,碳纤维增强后的水曲柳和落叶松木材端部钉节点抗剪力得到大幅改善,分别提高102.54%和78.23%;交变荷载能加速木构件端部钉节点损伤进程,交变荷载频率及荷载变化幅度是影响钉节点抗剪性能的主要因素;不同树种及不同端面钉节点剪切位移增量差异明显,剪切位移增量可用作评价交变荷载下钉节点抗剪性能优劣的参数;增强端面钉节点剪切破坏模式主要表现为钉孔边缘碳纤维涂层出现局部变形及钉剪切变形。增强后的水曲柳及落叶松木构件端面具有更优异的抗疲劳及蠕变性能,可应用于木结构工程。     

胶合木T梁负弯曲性能试验研究

【目的】探讨胶合木T梁的负弯曲性能,观察极限状态下构件的破坏形式,解析极限状态下构件的破坏机理,推导极限承载能力计算模型,以期为工程实际应用提供理论参考依据。【方法】采用跨中荷载试验与理论计算对比方式进行研究,实测分析了两组试件的应变、挠度、抗弯刚度、极限承载力及延性结果,观察分析了胶合木梁的破坏形态与破坏机理,基于Rammer剪切强度公式将弯剪强度理论值和试验值进行了对比。用兴安落叶松作为原材料,以剪跨比、跨高比为参数,设计制作2组即A组3根(高跨比1/12,剪跨比5.2)、B组3根(高跨比1/14,剪跨比6.1),共计6根平行胶合木T梁试件。将T梁反转成倒T梁,在两端简支条件下跨中加载产生正弯矩,使肋板受压、翼板受拉,模拟连续T梁跨中支承截面的受力性能。【结果】1)两组构件整体工作性能良好,受弯时极限破坏形态均为中部顺纹剪切破坏。2)两组构件相比,B组较于A组试件,屈服荷载降低9.7%,跨中屈服位移提高27.5%,极限抗弯承载力降低10.4%,跨中极限位移提高42.7%,抗弯刚度降低36%,延性系数提高22.4%。3)两组构件的荷载应变曲线在达到屈服点之前呈比例关系,满足平截面假定。4)受剪力滞效应影响,两组构件的跨中截面翼缘板正应力横向分布不均匀,呈现随距离肋板中心位置越远而越小的关系,最大差值比率达30%。5)构建了弯剪承载力计算模型,理论值与试验值最大相差3.1%,匹配度较高。【结论】总结了胶合木连续T梁在跨中支承截面的受力变形规律,揭示了其破坏机理,构建了极限弯剪承载力计算模型,经验证,具有一定的可靠性。     

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...     

水青冈木-自攻螺钉复合榫连接节点单剪性能

对比研究自攻螺钉、水青冈木榫和水青冈木-自攻螺钉复合榫3种连接节点的单剪承载性能,采用特征值分析法对单剪力-位移进行分析,获得最大荷载、极限荷载、屈服荷载、初始刚度、延性系数、能耗和最终位移等七个参数。结果表明:1)除了初始刚度,采用自攻螺钉的连接节点承载性能优于水青冈木榫连接节点;2)复合榫连接节点的承载力呈现两个极大值峰,第一个极大值高于水青冈木榫连接节点最大值2 kN,第二个极大值高于自攻螺钉连接节点最大值0.7 kN;3)复合榫连接节点的最终位移介于水青冈木榫连接节点和自攻螺钉连接节点之间,耗能能力和自攻螺钉连接节点相当,其他参数均优于自攻螺钉连接节点和水青冈木榫连接节点。综合参数分析,水青冈木-自攻螺钉复合榫能够有效结合自攻螺钉和水青冈木榫的优良特性     

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%。     

侧向荷载下木框架剪力墙受力性能的有限元分析

随着现代木结构建筑在国内的推广应用,木结构的试验与理论研究工作在我国也逐步展开,其中对木框架剪力墙(简称木剪力墙)的研究也取得了较多成果。笔者基于木剪力墙结构在侧向水平荷载作用下的试验研究,利用有限元分析软件ABAQUS建立分析模型,主要研究无洞墙体、开门洞墙体在单向与反复荷载作用下的荷载-变形关系以及受力特点。将有限元模拟结果与试验结果对比分析表明,所建模型能够很好地模拟木剪力墙抗侧性能以及墙体应力状态和变形特点,模型能为木剪力墙抗侧性能的理论分析提供较好的借鉴。     

轻型木结构建筑胶合板覆板的握钉力性能

介绍轻型木结构覆板垂直拔出力和平行侧向压力2种握钉力性能的试验装置和方法,并进行国产人工林落叶松胶合板覆板的握钉力性能试验.结果表明:与国外胶合板覆板具有相同厚度的国产人工林落叶松墙面板、屋面板和楼面板,其握钉力性能均超出标准规定的技术指标值.     

日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接横纹承载性能

【目的】研究日本柳杉木构件内嵌钢填板销连接在横纹荷载作用下的破坏机制和承载性能,为木结构梁、柱构件金属件连接时梁端销连接设计提供依据。【方法】在梁端部开槽钻孔后将单个钢销连接到内嵌钢填板,分别对日本柳杉锯材梁和胶合木梁进行横纹荷载作用下的弯曲剪切加载试验,按照日本通行数据分析方法确定销连接短期承载力标准值,并与5个不同国家标准规定的屈服荷载计算值进行比较。【结果】加载初期,荷载-位移曲线呈线性关系,构件处于线弹性阶段,随着位移增加曲线呈非线性,构件进入弹塑性阶段,当位移增加到一定数值,梁端出现初始脆性开裂,荷载瞬间急速减小,随后荷载又随位移增加再次上升,加载至极限状态时,梁构件产生劈裂破坏丧失承载力;最终的破坏形态为梁构件沿销孔水平剪切面开裂、销连接屈服模式Ⅲ型;通过足尺试验得到断面尺寸120 mm×240 mm锯材梁和胶合木梁的钢填板单个销连接短期承载力标准值取决于屈服荷载,分别为8.6和13.7 k N,初始开裂对应的荷载平均值分别为15.0和21.1 k N,屈服荷载平均值分别为14.50和15.00 k N,最大荷载平均值分别为27.0和30.8 k N。【结论】胶合木梁钢填板销连接的最大荷载和屈服荷载平均值均大于锯材梁,且变异系数明显小于锯材梁,含水率低而变异小,从而导致试验获得胶合木梁销连接的短期承载力标准值明显高于锯材梁,当销连接作为中小断面梁柱构件的主要连接方式时,宜选用强度等级确定、质量合格的胶合木作为木构件,比锯材具有更高的连接承载力。梁端销连接节点承载力与单个销连接承载力和销数量具有良好的相关性,可作为梁柱节点梁端销连接设计依据。销连接部位发生销屈服后木材开裂,初始开裂取决于木材抗剪强度、横纹抗拉强度和销所在的梁高部位以及销孔到梁端的距离,发生初始开裂后钢销仍能起到支撑作用,连接节点延性较好;锯材梁和胶合木梁短期承载力标准值与标准中规定的屈服荷载公式计算值吻合度较好。各国标准中关于脆性破坏计算公式均能较好预测销连接木材的脆性破坏,与试验值比较,日本标准对于劈裂破坏的计算值最为接近,欧洲和加拿大标准的计算结果更趋于保守,我国现行标准在销连接设计中尚未考虑木材的脆性破坏,今后应进一步研究完善销连接计算公式和参数,更好地保证木构件连接安全可靠度。     

重组竹工字梁抗弯特性研究及模拟分析

开展了6根腹板与翼缘板之间采用异氰酸酯胶黏剂胶接和螺栓连接的重组竹工字梁抗弯试验研究,考察重组竹工字梁抗弯承载力特性和破坏模式。试验表明:重组竹工字梁的破坏模式为腹板受拉区撕裂破坏;随着荷载的增加,截面各部位应变发展迅速,尤其是腹板边缘处应变发展最快,首先进入塑性变形并发生撕裂破坏;继续加载,该裂纹发生纵向延伸,逐渐形成通缝,并且螺栓连接处出现撕裂。此时,试件两端上、下翼缘变形明显小于腹板边缘处,翼缘和腹板之间变形极其不协调,上翼板下端与腹板上边缘发生脱胶现象,说明腹板和翼缘连接处的剪应力传递效果不佳,影响了构件的刚度和承载力。重组竹工字梁破坏时挠度较大,工字梁的受力变形明显,6根试验工字梁的延性系数为6.0~9.0,说明重组竹工字梁的延性较好,并且工字梁的设计控制因素是变形而不是承载力。进行重组竹工字梁抗弯特性的非线性有限元模拟,分析得到的工字梁荷载-位移曲线与试验结果吻合较好,工字梁的变形及应力分布特征均与试验相一致。     

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。