重组竹横纹局部受压承载力试验研究

为了解不同工况下重组竹横纹局部受压的力学性能,对5组不同工况下的重组竹试件进行了横纹局压试验,采用0.5 mm/min的速度加载至试件破坏,得到试件的破坏特征、极限承载力和每组试件的荷载-位移曲线。试验结果表明,重组竹横纹局压极限承载力比较稳定,其变异系数均小于0.1;不同工况对试件的极限承载力和破坏形态有明显影响,承压区周围的围压面越多,其承载力越大。结合已有的木材横纹局压承载力计算方法和试验结果,考虑到重组竹本身硬度较大的特性,将重组竹顺纹和横纹方向的应力扩散长度均取为20 mm,得到了重组竹横纹局压的承载力计算公式,其计算结果均小于每组试件极限承载力的平均值,表明本研究得到的计算公式具有较高可行性。     

霍普金森试验下沙柳顺纹动态力学特性分析

为研究沙柳顺纹方向的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆试验技术对沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材的动态力学性能进行研究,分析应变率效应对试件动态力学性能的影响。将不同类型的沙柳顺纹试件在平均应变率为300,500和800 s-1条件下的动态屈服应力进行了比较并分析了原因,阐述了沙柳顺纹试件在动态压缩试验中的阶段特性,得到了3组试件分别在不同平均应变率条件下的破坏形态并分析了其形成原因。对试验结果分析后发现,沙柳顺纹方向具有较明显的应变率效应。在同一平均应变率条件下,沙柳顺纹材的动态屈服应力依次为浸泡材生材气干材。沙柳顺纹方向的动态应力-应变响应特性可分为弹性变形、塑性坍塌和失稳压溃3个阶段。3组沙柳顺纹试件在较高平均应变率的冲击载荷作用下均被压溃形成细小的片状碎屑,但是由于浸泡材和生材中的水分与纤维之间的摩擦力作用,使这两组试件中的细小片状碎屑仍黏在一起,未出现散落现象。     

碳纤维增强重组竹受弯构件的极限承载力试验

重组竹是一种竹基高强复合材料,适用于装配式梁柱结构,但还难以满足现代大跨建筑结构的需求。在重组竹梁受拉区粘贴轻质高强的CFRP(carbon fiber reinforced polymer),可充分发挥重组竹的受压性能,提高重组竹受弯构件的极限承载力。虽然重组竹的顺纹受拉应力-应变关系呈完全线性,但由于重组竹的顺纹受压应力-应变关系具有明显的非线性,故CFRP增强重组竹梁的极限承载力分析需要采用非线性模型。笔者通过CFRP增强重组竹梁采用简支梁4点弯曲试验,在研究其受弯破坏模式与破坏机理的基础上,导出了CFRP增强重组竹梁的极限承载力计算公式,并通过试验结果验证了公式的正确性。试验与计算结果表明,CFRP增强重组竹梁的破坏显示了明显的非线性特征,梁底分别粘贴一层、二层CFRP时,其极限承载力可分别提高14%和27%。     

重组竹短期蠕变性能研究

在重组竹房屋的正常使用过程中,构件会因荷载及温湿度共同作用而产生蠕变。因此,明确蠕变性能是重组竹结构设计体系不可忽视的重要问题之一。在25℃和相对湿度60%条件下,通过不同应力水平下重组竹顺纹单轴受拉、受压、三点受弯24 h短期蠕变试验,获得了蠕变应变-时间曲线及蠕变量-时间曲线,并以Burgers模型为基础,对试验结果进行了拟合。结果表明:当温湿度一定时,在较低应力水平下,蠕变只包含瞬态及稳态蠕变2个阶段,初始蠕变应变及蠕变应变总量与应力水平呈线性正相关关系,达到稳态阶段后重组竹几乎不再发生变形及破坏,具有良好的抵抗蠕变变形的能力。在较高应力水平下,重组竹蠕变不稳定性增强,抵抗蠕变性能有所降低,设计时应控制构件尺寸,确保其处于较低工作应力水平下,以利于其发挥自身抗蠕变性较高的优势。对比顺纹受拉、顺纹受压、三点受弯3种受力情况可知:顺纹受拉破坏呈脆性,无明显的破坏征兆;顺纹受压、三点受弯均具有一定的破坏征兆。Burgers模型对于包含瞬态及稳态蠕变阶段的重组竹短期蠕变性能拟合程度较高,能够较好地反映其短期蠕变性能。     

弧面竹青抗拉性能试验

为探究原竹弧面竹青的截面识别方式及其抗拉性能的影响因素,在竹根、竹中与竹梢3种高度取材,削去原竹表面蜡质层后,制作弧面竹青试件。基于Ostu算法对弧面竹青试件进行截面识别,计算截面面积、截面维管束面积占比等关键参数;开展抗拉性能测定,分析弧面竹青抗拉性能与维管束面积占比、取材高度、试件厚度及含水率之间的关系,分析竹青维管束和基质等细观构造的抗拉性能。结果表明：原竹弧面竹青试件的维管束面积占比与试件取材高度呈正相关,与试件厚度呈负相关,不同试件的离散性很高,弧面竹青自身条件和加工工艺都会对截面识别产生较大影响;试件的顺纹抗拉强度和弹性模量试验值,与试件取材高度呈正相关,与试件厚度呈负相关,经含水率修正后,12%含水率下竹青的抗拉强度增大,弹性模量减小。提出了不同含水率下基于截面维管束面积占比的竹青顺纹抗拉弹性模量计算公式,可用于弧面竹青弹性模量的预测;利用竹青细观构造与宏观力学性能的关系式,计算得维管束和基质的顺纹抗拉弹性模量分别为48.16和7.57 GPa。     

碳纤维增强聚合物 重组竹复合材的弯曲力学性能

重组竹已广泛应用于室内高档装饰、园林景观、室外防腐地板等领域,但重组竹的弹性模量比较小,为钢材的1/7~1/5,应用于建筑领域时难以充分发挥其自身高强度的特性。针对重组竹刚度较小的问题,提出一种重组竹板和碳纤维增强聚合物(CFRP)厚板嵌合粘接的新型重组竹复合材料,采用三点弯曲试验和有限元仿真方法,对CFRP 重组竹复合试件的失效模式、荷载 位移关系、应变曲线、胶层界面剥离影响等进行了研究。结果表明:重组竹试件失效模式是跨中位置处拉伸区域竹纤维断裂,且出现若干水平分层破坏,CFRP 重组竹复合试件的失效模式是CFRP与重组竹层间胶层出现大面积剥离;CFRP 重组竹复合试件的变形过程分为线弹性阶段和界面破坏阶段;CFRP可以明显提高重组竹梁的弹性模量和静曲强度,复合试件弹性模量是重组竹试件的2.33~2.94倍,静曲强度是重组竹试件的1.49~1.58倍;胶层界面剥离是CFRP 重组竹复合试件失效的重要因素,胶层界面剥离对复合试件的应变分布和挠度都有较大影响,完全剥离后试件的挠度是未剥离时的3.09倍。     

复配碱液处理榆木顺纹压缩应力-应变本构关系

采用复配碱液处理榆木后,对榆木的幼龄材和成熟材顺纹压缩,通过建立的榆木顺纹压缩应力-应变本构关系得出:在榆木顺纹压缩初始阶段,符合线形的弹性虎克定律;在弹塑性阶段,也基本符合线形的力学关系。分析榆木幼龄材在顺纹压缩中体现出较大的差异性、顺纹压缩弹性模量和应力、应变的原因是木材化学组分的降解和抽出;得出复配碱液处理后木材顺纹压缩弹性、弹塑性变化的基本规律,木材在弹塑性阶段呈一段平滑的曲线,细胞壁在此阶段形成褶皱。     

基于数字散斑相关方法的竹材变形特性

利用数字散斑相关方法(DSCM)测定5个竹龄的竹材顺纹抗拉弹性模量,并实时拍摄竹材拉伸和压缩过程中的位移变化,得出竹材抗拉和抗压试样的应变场。结果表明:从竹青至竹黄,顺纹抗拉弹性模量大致呈减小的趋势;随着竹龄的增大,顺纹抗拉弹性模量逐渐增加。竹材破坏过程复杂且能够直观地反映破坏的全过程,与人们肉眼观察相比,DSCM可提前反映试样状态并预见试样的破坏点。     

温度对重组竹短期受压蠕变性能的影响

通过对重组竹受压试件进行短期蠕变试验,研究温度对重组竹受压试件蠕变特性及蠕变规律的影响.针对不同应力水平下温度对重组竹短期受压蠕变的影响,研究了在同一应力水平7.5％下,重组竹在5种不同温度下的24 h顺纹受压蠕变性能;进一步比较了重组竹在应力水平为7.5％,15％,30％且温度分别为25,50,75℃情况下的24 h...     

木基缠绕管用复合板带偏轴拉伸力学性能研究

为了研究木基缠绕管用复合板带的偏轴力学性能,按照与复合板带较厚层的顺纹方向成0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°制备试样进行拉伸试验,根据是否添加纤维布得到了2种复合板带各7种破坏形式、应力-应变曲线、泊松比、弹性模量和拉伸强度。通过数值拟合、Transformation law公式、Hankinsion公式、最大应力强度准则以及蔡-希尔强度准则对板带力学性能进行分析预测。结果表明:复合板带的破坏形式主要为单板顺纹方向的纤维拉断和横纹方向的剪切破坏,纤维布的加入加剧了剪切破坏;在偏轴应力下,0°到90°复合板带试样的承载力、弹性模量和拉伸强度随偏轴角的增大呈先降低再增大的变化规律,且在47°下取得最低值;泊松比随偏轴角的增大呈先增大后降低的变化规律。未加纤维布复合板带的弹性模量可以通过Transformation law公式准确预测;泊松比可以通过数值拟合的二次函数准确预测;拉伸强度可以通过蔡-希尔强度准则预测。而纤维布加入到复合板带中,会使其受偏轴拉伸载荷时的应力-应变更加复杂,力学性能的试验值与预测结果误差较大。     

基于SHPB试验的桦木压缩动力学特性

【目的】利用木材动态压缩加载试验研究热磨机研磨解离破碎阶段木材原料受动态压缩载荷的动力学特性，并研究应变率、加载方向对木材原料动力学特性的影响，旨在深化木材原料研磨解离机制的研究，为热磨法纤维分离设备及磨片的齿形结构优化设计提供理论指导。【方法】利用 Hopkinson 杆试验装置对含水率为12.65%、密度为0.50 g·cm －3的桦木试件进行应变率约为400，800，1200 s －1，加载方向为径向、弦向和轴向的动态压缩试验，获得桦木在不同应变率及方向上动态压缩加载的解离特征、动态应力－应变曲线及相应的力学特性。【结果】对比分析各组试验后试件的破坏形态发现：1)当应变率约为400 s －1时，径向、弦向和轴向加载的试件主要发生塑性变形；2)当应变率约为800 s －1时，径向加载试件被解离成几大块，并且有一些“火柴棍”状的小试件从大试件上剥离；弦向加载试件沿加载方向上产生更大的塑性变形，并且在试件上、下两端处沿加载方向产生贯穿性裂纹，试件被解离成三大块；轴向加载试件受载面边缘处的纤维大量产生压溃现象，在加载面上产生贯穿性裂纹且有片状小试件从大试件上剥离；3)当应变率约为1200 s －1时，径向加载试件被解离成大量“火柴棍”状的小试件，并且小试件的尺寸明显小于应变率为800 s －1时；弦向加载试件沿加载方向上产生的塑性变形与应变率为800 s －1时相当，但是试件上端处被解离成许多片状的小试件，并且沿加载方向试件上产生了数条贯穿整个试件的大裂纹；轴向加载试件被解离成大量短粗状的小试件，并且小试件上带有明显的褶皱。对比分析各组试验试件的应力－应变曲线发现：1)动态压缩加载条件下桦木的应力－应变曲线可以由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段2部分；2)桦木沿径向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别为4.56，10.49，14.22 MPa 和2.88，8.32，20.70 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，屈服强度和韧性模量分别增加了2.11和6.19倍；3)桦木沿弦向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别为5.87，7.90，9.65 MPa 和2.53，7.41，12.92 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别增加了0.64和4.10倍；4)桦木沿轴向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度分别为22.90，71.41，96.37 MPa 和18.79，67.74，114.32 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别增加了3.21和5.08倍。【结论】随着应变率的增加，桦木的解离程度加大，径向加载最易解离，轴向加载最难解离；桦木的动态压缩屈服强度、动态压缩韧性模量具有很强的应变率敏感性，是一种应变率敏感材料。     

竹复合管材湿热老化性能及其机理

采用加速老化试验方法对竹复合管材的湿热老化性能及老化机理进行研究,探究不同湿热老化历时下竹复合管材拉伸、压缩和弯曲性能的变化。结果表明,在交变湿热应力作用下,竹复合管材拉伸强度、压缩强度、压缩弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量随湿热老化时间延长呈幂指数降低,拉伸劣化大于弯曲,弯曲劣化大于压缩,模量劣化大于强度;湿热老化28次后,竹复合管材拉伸强度、压缩强度、压缩弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量分别降低34.11%、25.64%、26.39%、26.14%和27.83%。交变湿热应力使结构层树脂和竹纤维均发生湿胀,结构层树脂湿胀率小于竹纤维,不均匀的湿胀使结构层树脂受拉、竹纤维受压,结构层树脂竹纤维界面产生剪切力,树脂开裂、脱落,纤维树脂界面形成孔洞和微裂纹降低有效应力传递,当剪切力大于界面粘结力时,界面损伤模式主要表现为脱粘以及剪切分层。     

现代胶合竹的超声波检测与轴压强度的试验研究与分析

胶合竹材料作为一种竹材深加工产品,具有强度高、性能稳定、适宜工业化生产加工等特点。为深入研究胶合竹材料的力学性能,对7组共70个基材叠合方向、试件长度不同的胶合竹清材小试件进行了超声波波速检测和轴心抗压强度试验。试验结果显示,胶合竹材料具有较高强度,破坏以试件基材破坏而非胶层剥离为主。胶合基材的叠层方向对超声波速和刚度、轴压强度影响较大,超声波速与强度、弹性模量具有一定相关性,因此可以基于超声波波速指标对胶合竹试件的强度和弹性模量进行无损检测。通过各试件的抗压强度曲线可以发现,顺纹抗压试件的强度明显高于2类横纹抗压试件,后者在试验后期仍可产生获得强度提升,3类试件都具有较大的塑性变形能力,3类试件不同的力学特性可以使其应用于不同的场景。     

维管束分布及结构对竹材宏观压缩性能的影响

深入研究竹材宏观压缩性能的影响因素。以散生竹毛竹,丛生竹慈竹、花竹、绿竹为研究对象,分别测试基本密度、维管束分布密度、纤维鞘组织比量、纤维形态及比例等关键特征数据,建立特征数据与竹材宏观压缩性能的关系并分析其对宏观压缩性能的影响。结果表明:1)散生竹毛竹,丛生竹慈竹、花竹、绿竹四种竹材维管束的分布密度、形态及组成差异较大,毛竹维管束的尺寸明显小于丛生竹,丛生竹均含游离纤维股且多为薄壁纤维;2)4种竹材宏观压缩应力—应变曲线相近,但力学性能存在明显差异;3)基本密度、维管束分布密度、厚壁纤维组织比量与竹材顺纹压缩性能正相关,且基本密度的相关性最高。基本密度是评价竹材顺纹抗压强度和压缩模量最可靠的物理因素。不同竹种维管束的分布密度主要影响竹材抗压强度,对压缩模量影响较小。维管束内厚壁纤维的组织比量也是影响竹材抗压强度和压缩模量的重要结构因素,厚壁纤维组织比量越大,压缩性能越好。     

气干和饱水状态下毛竹4种力学性质的比较

以毛竹为研究对象,测试不同年龄毛竹顺纹抗剪强度、顺纹抗压强度、弯曲模量和顺纹拉伸弹性模量在气干状态(北京,含水率8%)和饱水状态下之间的差异,由此探索竹材力学性能的含水率依赖特性.结果表明:上述4种力学性能指标对含水率变化的敏感程度不同,顺纹抗剪强度和顺纹抗压强度受含水率的影响程度最大,弯曲模量次之,顺纹拉伸弹性模量最小;4种力学性能指标对含水率变化的敏感程度均随着竹龄的增大而降低,但是受影响的程度不同,其中顺纹抗压强度从气干到饱水态的降幅受竹龄的影响最小,最大和最小降幅之间的差值只有3.6%,顺纹剪切强度和顺纹拉伸模量次之,弯曲模量最大,差值为14.77%.     

结构用开孔重组竹的干缩与湿胀性能

采用迭代最佳阈值法将气干至全干、饱水状态过程中的开孔重组竹扫描图像处理为二值图,使用Image Pro Plus、Photoshop软件测量分析了开孔重组竹径向和弦向的干缩/湿胀率、孔洞面积干缩/湿胀率、孔洞干缩/湿胀垂直于顺纹方向的竖轴与平行于顺纹方向的横轴尺寸之比k,研究了开孔重组竹含水率与径向和弦向干缩/湿胀率、孔洞面积、k值的相关性,为开孔重组竹在建筑工程中的设计应用提供依据。研究结果表明：开孔重组竹径向和弦向的干缩率分别为1.14%和1.56%、湿胀率分别为1.49%和3.38%,弦面和径面孔洞面积干缩率分别为1.18%和1.24%、湿胀率分别为-1.14%和2.42%,弦面和径面孔洞干缩k值分别为97.09%和94.86%、湿胀k值分别为98.60%和97.89%;孔洞直径的变化对开孔重组竹的干缩湿胀性能影响不显著,对孔洞自身形状变化的影响显著;随着含水率的递增,开孔重组竹的干缩/湿胀率、孔洞面积呈线性增长趋势,孔洞k值呈指数增长趋势。基于尺寸稳定性角度,气干至全干、饱水状态过程中重组竹径向和弦向的干缩/湿胀差异显著,对重组竹开孔可改善其尺寸稳定性,孔洞自身因含水率变化而产...     

圆竹材套筒式钉接构件的抗弯性能研究

圆竹可作为结构材用于新型竹结构建筑。以不同径级的圆竹筒为原材料,采用大圆竹材套小圆竹材的套筒式镶嵌结合方式,辅以气钉枪钉接固定,制备连接件;并进行静力加载试验,分析其抗弯承载力和破坏形态,同时对圆竹管重要位点进行了应变测试。结果表明:套筒式钉接圆竹试件与完整的单根圆竹试件相比,抗弯强度和抗弯弹性模量分别降低了59.49%和18.68%。套筒式钉接圆竹试件的破坏模式多为连接接口处开始的纵向开裂,部分试件直钉孔处出现细缝。两组圆竹试件在弹性阶段的各测点应变均呈线性变化,且拉、压应变基本对称分布。套筒式钉接圆竹试件各测点应变相对于完整的单根圆竹试件略小。研究结果可为圆竹材工程应用提供参考依据。     

不同单元形态木材增强重组竹结构材料抗弯性能的研究

根据混杂复合材料理论,探讨将几种不同单元形态的木材:木束、木刨花和木纤维与重组竹的基本单元--竹束,采用均匀混杂方法制备增强型重组竹结构材料的可行性,研究木束-竹束、木刨花-竹束以及木纤维-竹束的混杂比对增强重组竹结构材抗弯性能的影响.结果表明:与重组竹相比,当刨花-竹束以及纤维-竹束混杂比分别为10%、5%时,在垂直加载和水平加载方向上竹木复合重组结构材料的静曲强度和弹性模量综合增强效果最为明显,而随着木束-竹束混杂比增加,木束增强重组竹结构材料的弹性模量和静曲强度呈现先下降再上升的趋势,当混杂比为33%时负增强效应最大.     

C型木质薄壁结构材的轴压性能

【目的】利用杨木单板制备C型木质薄壁结构材,研究其轴压性能及屈曲变形模式,为新型木质结构材在建筑工程领域的应用提供理论基础。【方法】借鉴冷弯薄壁型钢的截面形式,探讨组坯结构、玻璃纤维布(GFC)、卷边和厚度等因子对C型木质薄壁结构材短柱轴压性能的影响。【结果】顺纹单板组坯结构、表层横纹芯层顺纹单板组坯结构和顺纹横纹交错单板组坯结构的平均极限载荷分别为12.5、14.6和12.97 kN。GFC-杨木单板复合C型木质薄壁结构材试件截面的有效性整体较大,在46.46%~50.21%之间;表层GFC芯层顺纹单板组坯结构与表层横纹芯层顺纹单板组坯结构试件相比,用GFC代替横纹弯曲单板,平均截面面积减少26.90%,质量减少5.17%,而极限载荷提高8.63%。外转角表面贴GFC芯层顺纹单板组坯结构与表层GFC芯层顺纹单板组坯结构相比,极限载荷降低34.17%,且局部屈曲半波发生在翼缘和腹板的中间位置。表层GFC芯层顺纹单板组坯结构、表层GFC芯层顺纹单板组坯卷边宽度25 mm结构和表层GFC芯层顺纹单板组坯卷边宽度50 mm结构,对应实际极限承载力分别为15.86、16.76和18.98 kN。表层GFC芯层顺纹单板组坯卷边宽度50 mm结构与表层GFC芯层加厚顺纹单板组坯卷边宽度50 mm结构相比,芯层杨木单板组坯厚度增加从而截面面积增大52.96%,平均每米质量增加33.33%,极限载荷提高90.31%。【结论】 C型木质薄壁结构材相同层数组坯时,表层横纹芯层顺纹单板组坯结构较顺纹单板组坯结构和顺纹横纹交错单板组坯结构合理,轴向承载性能好;用GFC代替横纹弯曲单板,可增强C型木质薄壁结构材轴向承载性能,表现出塑性破坏模式;仅对C型木质薄壁结构材外转角处表层局部粘贴GFC,不能提高无卷边的C型木质薄壁结构材的轴向承载性能。卷边对C型木质薄壁结构材轴向承载性能有强化作用,在0~50 mm卷边宽度范围内,试件轴向承载性能随卷边尺寸增大而增大。C型木质薄壁结构材芯层顺纹单板总厚度增加,C型材试件轴向承载能力也随着提高。     

整形竹的研究(2)--物理力学性能

运用一种新的竹材加工方式、用自行设计和制造的高温成型设备试制了横截面为矩形的整形竹.整形竹竹壁完好,竹内填充稻草.压缩整形时的温度、时间、压缩率和填充材料的性质都直接影响整形竹的尺寸稳定性.整形竹的吸湿性和吸湿线湿胀率同天然竹材相近,吸水率和吸水线湿胀率高于天然竹材,但是有明显的时间滞后现象.在200℃温度时,处理周期为20min的整形竹其吸湿率、吸水率、湿胀率和压缩回复率明显低于周期为15min的试样.整形竹的尺寸稳定性比压缩木更均匀.顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量同木材相近,而试件破坏形式有很大区别.