竹材多尺度下强韧性及水热影响研究进展

高强韧性是竹材最重要的材性特征和加工利用优势之一,这种强韧性与竹材独特的多尺度结构有着密切关系。作为天然生物质复合材料,水分与温度的变化对其强韧性有着直接影响:含水率增加,有利于提升竹材抵抗塑性变形的能力;温度升高,则使其材性变脆;在水-热协同效应下,具有维管束梯度结构的竹材通过微纳结构和化学组分的变化影响强韧性。笔者着重从材料学角度分析了竹材的增韧机制,介绍了竹材的多尺度结构,综述了竹材如何在不同尺度下通过梯度结构、细胞协同变形、多细胞壁层结构和分子链滑移体现增韧机制。水分主要增大竹材细胞变形和分子链滑移空间,从而使竹材在相同外力作用下能发生更大的位移,增加韧性。分析了湿热处理时,竹材纤维素、木质素和半纤维素的位置、构象及其比例可能在较低温度下发生变化,进而调控其强韧性能的变化。在此基础上,按照传统竹制品和现代竹材加工工艺,列举了竹材强韧性的典型应用案例和强韧性新材料发展方向。最后,提出了竹材在湿热作用下强韧性机理可进一步研究的方向。

国内外平行弦木桁架发展现状分析

对国内外平行弦木桁架在结构材、节点及连接方式、承载力性能、理论计算与技术规范等方面的发展现状进行了分析,并就我国平行弦木桁架的发展提出相关建议。

竹材振动阻尼性能及其在竹质复合材料中的应用

经过历史自然演变,形成了竹子精巧的多级结构和优异的界面设计——刚性的维管束呈梯度均匀分布在柔性的薄壁细胞中,构成天然“岛链结构”,赋予其高强高韧的同时,通过薄壁细胞和孔隙结构变形或胞间层裂纹偏转来达到吸收能耗、增加阻尼效果,从而抵御自然灾害(雨、雪、风)的侵蚀。本研究从多尺度结构特征(宏观-微观)和化学组分(线形纤维素分子链-无定形木质素聚合物)2方面阐述竹材的振动阻尼特性,分析环境因子(温度、湿度)对其的作用机制,在此基础上,总结竹质复合材料的振动阻尼机理。基于目前广泛应用的竹/木、竹/塑及竹纤维/橡胶颗粒3种复合方式,阐述竹质复合阻尼材料的结构和工艺特征,总结4种层积结构(基础性阻尼、抗冲击型阻尼、轻量型阻尼和静音型阻尼)对竹质复合材料振动阻尼性能的影响规律。依据“材料-结构-功能”一体化设计原则,梳理竹质复合阻尼材料在体育、建筑、交通和电子信息等领域的应用前景。最后,从竹材生物学振动阻尼特征、竹质复合阻尼材料减振调控机制、竹质智能阻尼新材料研发以及制品标准化制定等方面,提出亟需解决的共性科学问题和关键技术。竹质复合阻尼材料具有吸能降耗和抗振降噪功能,在建筑、交通和机械等领域的噪音与振动污染防治方面具有重要意义。

腹杆节间间距对平行弦木桁架承载性能的影响

研究腹杆节间间距对平行弦木桁架承载性能的影响,控制融余强度,形成平行弦木桁架强度及质量控制的理论支撑。采用Smsolve结构力学求解器对桁架进行内力分析,并对构件进行承载能力与稳定性验算,得到桁架腹杆节间间距临界值。采用静力加载方式,对平行弦木桁架挠度、轴向应变以及破坏形式进行测试,对2种工况模拟变形趋势与试验结果进行对比分析。结果表明,腹杆节间间距0 mm与65 mm的桁架,极限荷载平均值分别是设计荷载的5.26倍和3.49倍,均满足设计要求,且节间间距0 mm桁架的承载力高于节间间距65 mm桁架,2种桁架变异系数均较小,表现出较小的离散性。当达到极限荷载时,2种工况的跨中挠度值相差不大;节间间距0 mm桁架,跨中与两加载点处挠度值相差不大,变形较小;节间间距65 mm桁架,跨中与两加载点处挠度值相差1.5倍,此工况试件极限荷载均超过3倍设计荷载,满足规范设计要求。比较2种工况下桁架变形形式,可以看出节间间距0 mm桁架整体变形较小,有较高的承载能力。试验证明桁架破坏形式主要为节点齿板拔出,而导致桁架失效,破坏位置主要出现在两侧端部、跨中、加载点下端节点位置,与模型分析相一致。分析认为平行弦木桁架有较好的强度储备,在满足构件承载能力、稳定性的情况下,腹杆节间间距可在65 mm范围内进行调节,桁架失效主要发生在齿板连接节点处。

我国平行弦木桁架研究现状

木桁架承载性能优良、节约用材、经济性好、加工施工快捷,是现代木结构的主要构件之一。以轻型平行弦木桁架为研究对象,从结构材、节点与连接、承载性能、计算理论及技术规范等方面,对我国平行弦木桁架的研究现状进行了分析梳理,并对平行弦木桁架今后的研究趋势进行了展望。

腹杆角度对平行弦木桁架受力性能的影响

为研究腹杆角度对平行弦木桁架承载性能的影响,对跨度为2000 mm、杆件截面尺寸200 mm×89 mm的平行弦木桁架进行了Smsolve结构力学求解器理论模型分析与有限元模拟。在此基础上,对平行弦木桁架进行了静力加载试验,分析了平行弦木桁架在不同腹杆角度下的极限荷载、受力分布规律和主要破坏形式,验证了平行弦木桁架模型分析的正确性,评价了Smsolve结构力学求解器理论模型与有限元模拟分析平行弦木桁架承载性能的适用性。研究结果表明:平行弦木桁架极限荷载为设计荷载4~7倍,破坏位置为两侧端点和荷载加载点,破坏形式为节点齿板拔出而导致桁架失效,腹杆角度47°的桁架在满足承载力及稳定性要求。Smsolve结构力学求解器理论模型与有限元模型均适用于平行弦木桁架承载性能的分析。

梁柱用竹质工程材料及其构件研究进展

竹质工程材料及构件的研发,不仅拓展了竹材在建筑、交通和桥梁等领域的应用,而且符合我国绿色发展、清洁生产、乡村振兴战略等重大政策需求。文中阐述了以竹集成材、竹篾集成材、竹重组材为代表的3种竹质工程材料的研究进展,在此基础上梳理归纳了竹集成材梁柱、竹篾集成材梁柱、重组竹材梁柱、复合竹质梁柱构件以及双拼梁柱等5种梁柱工程构件的结构特点,并从建立竹质工程材料与构件的评价分级方法、研发梁柱用竹质工程构件的长效绿色防护技术、制定相关的规范与标准等尚需解决的几个关键技术方面提出了将来的研究展望。