高湿状态下单板层积材的横纹承压性能

重组加工是提高低强度木材结构性能的重要手段,以杨木重组加工的单板层积材为研究对象,从受力方式、承压方向及增强方法等方面研究了高湿状态下单板层积材的全表面、局部表面及尽端局部表面横纹承压性能。结果表明:湿环境对杨木单板层积材横纹承压性能影响较大,湿环境下其全表面横纹承压性能为干环境下的33%;杨木单板层积材横纹承压性能主要与其承压位置与承压方向有关,局部横纹承压时受到承压面周围木材纤维的支持作用显著,承压面平行于单板层时其局部承压强度最高,在干燥环境下,分别是尽端局部及全表面横纹承压强度的1.2倍和1.4倍。单板层积材结构是导致不同承压方向横纹承压性能差异的主要原因,承压面垂直于单板层时,单板层积材易过早发生分层或屈曲破坏。湿环境下单板层积材含水率较高材质较软,自攻螺钉支持作用明显,有助于改善其承压性能。杨木单板层积材横纹承压强度对环境湿度较为敏感,在工程应用时应保持环境干燥并使承压面平行于单板层。

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-钢组合箱梁的后续研究提供一定的理论基础。

木材横向切断性能螺旋管胞模拟研究

为进一步了解木材横向切断性能,优化木材的加工流程,减少资源浪费,以木材管胞理论为基础,提出一种木材螺旋管胞结构模型,并在建模和砌体代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)均质化后在Abaqus/Explicit中进行横向切断仿真研究。研究选取挪威云杉(Picea abies)作为试验材料,基于螺旋管胞结构进行建模,设定模型属性、边界条件、划分网格并装配后进行仿真及后处理,导出相关数据,与常规结构模型仿真结果和实际试验结果进行对比研究。结果表明,基于螺旋管胞结构的模型仿真结果相较于常规结构模型仿真结果更接近实际试验结果,为日后木材仿真研究和木材加工优化提供了有利的参考依据。

应用近红外光谱技术预测进口辐射松木材抗压和抗弯性能

以进口辐射松(Pinus radiata)木材为研究对象,探究应用近红外光谱技术预测辐射松木材抗压和抗弯性能的可行性,比较不同切面采谱、不同光谱预处理方法以及不同谱区波段的建模效果。结果表明,用弦切面的光谱建立的校正模型精度最高。原始光谱建立的校正模型精度较好,相关系数达0.85及以上,抗压强度模型在经过S-G卷积平滑处理后相关系数可提高到0.92。在全波段建立的校正模型效果最好。经外部验证,抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量预测值与实测值相关性较高,相关系数达0.82及以上。研究结果可为辐射松木材的抗压和抗弯性能的快速评价提供新方法。

木-钢组合工字梁抗弯性能试验分析

【目的】为了解决胶合木工字梁弯曲加载时,因为腹板的胶合木抗剪强度较低,在没有充分发挥木材的抗拉和抗压能力时就发生胶合木工字梁腹板顺纹剪切破坏的问题。【方法】本研究设计了一个腹板是工字钢梁,上下木板采用螺栓连接的新型钢木组合工字梁,并与胶合木工字梁一起进行三分点弯曲加载对比试验,分别观察木-钢组合梁和胶合木梁的破坏模式、跨中挠度变化、截面高度和翼板的应变发展情况,研究2种结构梁的截面承载力。【结果】胶合木工字梁的破坏模式为脆性的顺纹剪切破坏;木-钢组合工字梁的破坏模式为钢腹板屈服且木材翼缘发生了顺纹剪切破坏;木-钢组合工字梁的极限荷载、初始刚度、强度储备分别比胶合木工字梁高出79.7%、3.2%、140.1%;达到极限荷载时木-钢组合工字梁顶板木材翼缘的最大纵向压应变约是胶合木工字梁的2.08倍,底板木材翼缘的纵向拉应变约是胶合木工字梁的2.75倍。【结论】木-钢组合工字梁是一种科学合理的组合形式,不仅有效地解决了胶合木工字梁在弯曲加载下因纵向抗剪强度较低而发生剪切破坏的问题,而且可为木-钢组合工字梁在大跨径的梁单元结构研究提供参考。采用Rammer公式计算得到的胶合木工字梁的抗剪强度与试验误差为4.49%。该研究成果也使得木-钢组合工字梁的木材拉压强度能很好地发挥。

动态弹性模量用于评估不同等级规格材的研究

参照加拿大锯材目测分等规则,将人工林杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)足尺规格材(45 mm×90 mm×3 700 mm)分成精选级(SS)及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4个等级,利用纵向基频振动无损检测法获得动态弹性模量,同时参照ASTM D198—99标准测试了其静态抗弯弹性模量。探讨不同等级的动态与静态抗弯弹性模量之间的相互关系,并比较不同等级静态抗弯弹性模量发现:不同等级动静态弹性模量的相互关系不同,其决定系数(R2)依次分别是0.761(Ⅱ)、0.715(SS)、0.703(Ⅰ)和0.356(Ⅲ),即Ⅱ等级以上的动静态弹性模量的相关性很好,可以通过动态弹性模量预测规格材的静态弹性模量;Ⅲ等级的相关性稍差一点,但都在0.01水平上具有显著的相关性;不同等级的静态抗弯弹性模量不等,Ⅱ等级的静态抗弯弹性模量值最大10.701 GPa,其次分别是SS、Ⅰ、Ⅲ,依次分别为:10.359、9.840、9.554 GPa。

热处理对圆盘豆木材尺寸稳定性的影响

以蒸汽为加热介质，在温度为160℃～220℃范围内，对圆盘豆木材进行4h的热处理，研究热处理温度对木材尺寸稳定性的影响。结果表明，随着热处理温度升高，圆盘豆木材的干缩率、湿胀率、吸湿平衡含水率降低，抗干缩率、抗湿胀率、阻湿率提高。当热处理温度大于200℃时，圆盘豆木材的尺寸稳定性显著提高。

重组木与重组竹抗弯性能的比较

以杨木和毛竹为原料,制造了重组木和重组竹。对重组木和重组竹的抗弯弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)进行测试和分析。结果表明:密度在0.7g/cm3以上时,重组竹的抗弯弹性模量比重组木的性能好,弹性模量与密度呈线性相关;重组竹和重组木的静曲强度与密度间呈二次相关,重组竹密度在0.8g/cm3以下时,其静曲强度比重组木略低,密度在0.8g/cm3以上时,重组竹的静曲强度比重组竹的略高。将重组竹在低密度下的高弹性模量与杨木相对较高的静曲强度相结合,制造的木竹重组材可以制造出轻质高强的新型结构材料。

高温热处理对人工林杨木物理力学性能和尺寸稳定性的影响

以蒸汽为介质,采用高温热处理法对杨木木材进行热处理,研究了处理温度和处理时间对杨木木材的物理力学性能和尺寸稳定性的影响。结果表明:处理温度和处理时间对木材物理力学性能和尺寸稳定性均有较大影响。综合考虑处理温度和处理时间对木材物理力学性能和尺寸稳定性的影响及成本等因素,较佳的热处理工艺参数为:温度180℃,时间3.5 h。

应力木纤丝角的研究

论证了用X射线(002)衍射图谱测量木材平均纤丝角的方法,并解释了前人用分峰法测得的纤丝角偏小的原因。在此基础上对马尾松应压木和69杨应拉木进行测试,对测得的各种形状的(002)衍射图谱进行合理解释。测试结果给出了不同区域不同年轮的纤丝角值。并且,实验测量了纤丝角和纵向抗拉强度的关系。结果表明,用X射线(002)衍射图谱可以断定胶质层的存在与否,S_1和S_2层的厚度比例。此外,纤丝角值是反映木材纵向抗拉强度的重要指标,两者呈线性关系。

日本落叶松正交胶合木抗弯性能研究

【目的】探究日本落叶松正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)抗弯性能的影响因素,为CLT在木结构建筑中的应用提供基础数据。【方法】以产自辽宁清原的日本落叶松锯材为供试材料,依据层板弹性模量(>8～<12GPa(低)、≥12～≤16GPa(中)、>16GPa(高))、层数(3层和5层)、层板厚度(15和25mm)、组坯方向(正交和斜45°)的不同共设置6种组坯方式,基于美国标准ANSI/APA PRG320-2012测试6组CLT的抗弯弹性模量和抗弯强度,以考察CLT抗弯性能的影响因素;根据机械连接理论、复合层板理论、剪力类比理论和简单设计法推算CLT的等效抗弯刚度和抗弯弯矩,通过实测值验证理论预测值的精确性,筛选适宜的预测方法。【结果】层板模量和层数对日本落叶松CLT的抗弯弹性模量、抗弯强度影响显著,但锯材厚度和组坯方向对CLT的抗弯弹性模量、抗弯强度影响不显著;采用剪力类比理论、简单设计法分别计算的等效抗弯刚度值和抗弯弯矩值更加接近实测值,相对误差分别在5.0%和6.5%内。【结论】采用日本落叶松锯材制备的CLT具有较好的抗弯性能,利用理论模型能够很好地预测CLT的等效抗弯刚度和抗弯弯矩。

L型木塑构件结构强度特性的研究

将L型构件简化成L型构件模型,并将其连接看作是半刚性节点,通过最大破坏载荷、角应变、抵抗弯矩、等效弹性模量等指标,分析了不同臂长对木塑L型构件结构强度的影响。研究结果表明:臂长对木塑L型构件结构强度的影响显著,且臂长越短,结构强度越大。臂长对连接结构强度也有较大的影响,臂长在150 mm左右时,连接性能最好。

基于应力波的意杨原木、单板及LVL弹性模量相关性研究

评估原木制成的单板、单板层积材(LVL)制品的品质,为原木进行适时最佳分等提供方法,以提高其利用价值。采用应力波无损检测法测定意杨原木、及其单板和LVL制品的动态弹性模量(MOE)值,并研究三者之间的相关性,同时,对LVL进行抗弯力学性能试验,检测其静态MOE值,与其动态MOE进行对比验证。结果表明:用应力波无损检测方法测定意杨原木的动态MOE值与其单板和LVL的动态MOE值之间均有较高的相关性(相关系数R>0.80),且LVL动、静态MOE之间呈显著相关(R>0.90)。

落叶松为基材的木榫旋转焊接性能及机理研究

选取国产落叶松为木榫旋转焊接基材,对其抗拉拔性能及反应机理进行研究。通过对基材上不同预钻孔/木榫直径比抗拉拔试验,以及木榫直接敲入方式的抗拉拔的对比试验,研究了各因素对焊接性能的影响,并将其结果与欧洲云杉基材进行比较。通过FTIR对落叶松焊接基材情况下木榫及焊接界面进行了化学机理分析。结果表明,木榫旋转焊接落叶松基材的抗拉拔强度与弹性阶段刚度均明显高于欧洲云杉基材;不同预钻孔径对落叶松基材的抗拉拔强度影响不大,但对欧洲云杉影响较大;木榫旋转焊接能够极大提高木榫与基材连接节点的抗拉拔强度,其中落叶松基材提高了416%,而欧洲云杉仅提高了177%。FTIR表明木榫旋转焊接过程中纤维素、半纤维素、木质素发生热解与熔融,冷却后形成高强度的焊接界面。

速生杨木密实化研究

对速生意大利杨木进行密实化处理和物理力学性能测定,观察分析木材红外吸收光谱和微观结构,寻找回弹固定机理.得出最佳工艺条件:压前含水率为饱水状态,压后厚度为2 cm,压缩率为50%,热压温度为190℃,热压时间为30-40m in.采用质量分数为5%的CH蒸煮添加剂软化效果好,具有环保性.处理材厚度吸湿回复率为2.1%,尺寸稳定性好,物理力学性能明显提高.处理材的微观结构只是细胞被挤压,细胞腔变小,细胞壁未受到破坏.本研究的实施是高效利用低质木材的重要手段和有效途径,将带来良好的社会、经济和生态效益.

火炬松种源顺纹抗压强度的变异与木材密度的关系

同一环境１０年生火炬松种源试验林材性分析结果表明：①３ｌ个火炬松种源间顺纹抗压强度近似于正态分布，其均值幅度为２３．７～２９．７ＭＰａ，对照种源为２６．６ＭＰａ，处于中等水平。方差分析表明种源间顺纹抗压强度差异显著，但多重比较显示仅部分种源间有显著差异；顺纹抗压强度广义遗传力为０．６１８，种源内顺纹抗压强度差异大于种源间，说明在种源选择的基础上再进行个体选择，效果会更好。②基本密度、气干密度和绝干密度间相关极为显著，三者与高度相关，非破坏性取样测定基本密度可很好预估顺纹抗压强度值。③顺纹抗压强度值与胸径、材积负相关，顺纹抗压强度值与晚材率正相关，材性育种可选择生长快、晚材率高的种源、个体来解决“生长快强度稍低”矛盾。④原产地纬度与顺纹抗压强度正相关显著，高纬度种源引种到低纬度区域种植，其顺纹抗压强度值有增大的趋势。

锯材/单板层积材混合正交胶合木力学性能研究

为改善正交胶合木(Cross laminated lumber,CLT)的力学性能,将加拿大云杉-松-冷杉规格材和单板层积材按照不同结构进行混合组坯,形成3种不同结构的混合结构CLT,并对CLT试件进行弯曲和剪切力学性能测试,观察试件破坏形式。试验结果表明,芯层(横向层)剪切破坏是CLT梁试件弯曲破坏的主要、关键形式,单板层积材(Laminated Veneer Lumber,LVL)显示了较低的横纹剪切性能;将LVL置于表层,能较大地改善CLT材料的力学性能,其顺纹抗弯弹性模量比普通结构CLT值提高17.6%,将LVL置于芯层(横向层),SPF作为表层形成的混合CLT材料力学性能低于普通结构CLT性能。

SPF规格材密度与节子变异特性对抗弯性能的影响

探讨了密度、节子对SPF规格材弹性模量和静曲强度的影响。考虑到材料在不同构件中受力方式不同,试验采取了平弯和侧弯2组。结果表明,节子的大小和数量是影响材料抗弯性能的重要因素。在密度相差不大的情况下,木节相对尺寸的大小与抗弯强度成反比;密度与弹性模量及静曲强度存在一定的线性关系。

预应力FRP增强竹木集成材抗弯性能的初步研究

通过对预应力FRP增强竹木集成材的抗弯实验,研究了不同预应力FRP对集成材抗弯强度、弹性模量及中性轴的影响,实验结果表明:在预应力FRP增强竹木集成材中,30%UTS预应力FRP增强竹木集成材的抗弯强度、弹性模量及中性轴偏移最大,抗弯强度达到73.05 MPa,弹性模量7312.80 MPa,相对于无预应力FRP增强的竹木集成材中性轴向下偏移1.73 mm。并且集成材在一次破坏后,30%UTS、40%UTS预应力FRP增强竹木集成材承受荷载仅分别下降11%,18%,而无预应力FRP增强竹木集成材则急剧下降46.80%。

火炬松种源木材抗弯弹性模量和抗弯强度的变异及其关系

１０年生火炬松３１个种源间木材抗弯弹性模量（ＭＯＥ）、抗弯强度（ＭＯＲ）存在着显著的差异，二者的广义遗传力分别为０．５９６７、０．６３６４。方差分析中环境方差分量所占比例较大（近５０％），说明ＭＯＥ、ＭＯＲ除受遗传上中等程度控制外，还显著受到环境条件影响。种源内ＭＯＥ、ＭＯＲ变异系数远大于种源间变异，说明火炬松材质改良在种源选择的基础上进行个体改良效果较好。各种源内ＭＯＥ，ＭＯＲ间线性相关显著，３１个种源样木汇总分析其线性模型相关极为显著（ｒ＝０．８７２５＞ｒ０．００１＝０．１８４３）。火炬松幼龄材力学性能劣于成熟材，其ＭＯＥ、ＭＯＲ分别较成熟材低３９．１％、２８．９％。原产地纬度与ＭＯＲ、ＭＯＥ高度正相关，显示高纬度种源引种到低纬度地区种植其抗弯性能变优。靠近墨西哥湾南部地区各种源产地经度与ＭＯＥ、ＭＯＲ高度相关，进一步分析表明南部种源区在纬度相差小于３°情况下，远离海岸线高经度区种源引种到低经度近海岸区种植，其ＭＯＥ、ＭＯＲ有增大的趋势。