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平行弦木桁架的极限荷载范围为23.48~34.16 kN,跨中挠度范围为31.85~32.05 mm;3)腹杆角度34°、47°、60°的北美黄杉和SPF平行弦木桁架极限荷载分别为26.53和23.48 kN、35.10和30.06 kN、40.83和34.16 kN,对应跨中挠度分别为31.85和31.01 mm、30.72和32.05 mm、30.57和31.97 mm;4)北美黄杉平行弦木桁架的破坏形式主要表现为靠近桁架支座处的腹杆出现裂纹以及桁架端部或荷载施加点处齿板拔出,SPF平行弦木桁架的破坏形式主要表现为桁架端部和荷载施加点处齿板拔出;5)ABAQUS有限元模拟和试验验证发现,2种平行弦木桁架跨中处弦杆轴力最大,往两边逐次递减,桁架跨中处腹杆轴力最小,往两边逐次递增,且弦杆轴力大于腹杆。【结论】北美黄杉平行弦木桁架承载性能优于SPF平行弦木桁架;平行弦木桁架的承载性能随腹杆角度增加而增加;2种平行弦木桁架的薄弱点均为桁架端部和荷载施加点处的齿板连接节点;ABAQUS有限元模型能有效反映出平行弦木桁架受力分布和整体结构变形趋势。

青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地草本植物群落主要种生态位特征

特定环境下植物的生态位决定植物群落的相对稳定状态。以空间代替时间方法,采用Levins和Shannon-Wiener生态位宽度指数、Pianka和Schoener生态位重叠指数,分析青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地4个演替阶段群落的种群生态位宽度和生态位重叠程度,并划分群落特化种和泛化种。结果表明:火烧迹地不同演替阶段的草本层主要物种的Levins和Shannon-Wiener生态位宽度指数结果基本一致,同一物种在不同演替阶段的生态位宽度存在差异,生态位宽度23 a>5 a>15 a>顶级群落(Climax)。5 a群落有2个特化种2个泛化种,15 a群落有4个特化种2个泛化种,23 a群落仅有3个特化种,Climax群落有3个特化种5个泛化种。23 a群落的高生态位重叠指数的种对数占比最小,而Climax群落有着较少低生态位重叠指数的种对数;中等生态位重叠指数的种对数占总对数比值大小顺序为Climax>5 a>15 a>23 a。通过研究分析可以得出:青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林经过重度火干扰后,火烧迹地演替初期的群落(5 a)和受人为定向干扰的群落(23 a),植物生境资源丰富,各植物种的生态位宽度都相对较大、生态位重叠较小,相应地种间竞争小;演替中期(15 a),生态位重叠分离现象明显,群落中的大多数种在资源利用上具有极大的相似性,种间竞争加剧;而Climax属于顶级群落,各种的生态位宽度相对较宽,大多数植物种间生态位重叠不高,竞争较小,群落处于一个相对稳定的状态。除了Climax群落,其他各演替阶段群落所含特化种占特化种与泛化种之和比≥50%,特定的生境促使特化种的形成。适当的人为干预能够提高群落内种的生态位宽度,降低种间的生态位重叠,形成较为稳定的生态群落。

青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地植物群落演替的数量研究

[目的]分析青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地不同演替阶段植物群落物种组成和多样性变化规律,为火烧迹地植物群落的科学管理提供依据。[方法]采用空间代替时间方法,在迭山北坡,选取4个不同演替阶段的植物群落,即火后演替5年(5 a)、火后演替15年(15 a)、火后演替23年(23 a)和森林顶级群落(Climax)作为一个演替序列,采用样方法调查植物群落的物种组成,计算物种重要值、多样性指数和群落相似系数等指标,以揭示火烧迹地植物群落演替的数量特征。[结果]1)随着火烧迹地植物群落演替时间的推移,群落物种丰富度下降,个体数量逐渐减少,其中5 a群落物种丰富度最大,个体数最多(4008±298株·(400 m^(2))^(-1)),Climax的物种丰富度最小,个体数量也最少(1759±90株·(400 m^(2))^(-1));草本层5a群落、灌木层和乔木层Climax群落的Margalef指数和Shannon-Wiener指数最大。2)依据重要值,5 a、15 a、23 a和Climax 4个不同演替阶段的群落可命名为扁刺蔷薇+箭竹+密生薹草、唐古特忍冬+黑水柳+密生薹草、青海云杉-红桦+扁刺蔷薇+密生薹草群落和云杉-巴山冷杉+唐古特忍冬+密生薹草群落。3)不同演替阶段草本植物群落异质性指数5 a(0.07)<15 a(0.12)<23 a(0.19)<Climax(0.22)。4)5 a、15 a和23 a群落的多度为几何级数分布型,表明火烧迹地环境条件有利于草本植物生长,生态位确定性物种在群落构建过程中占据主要地位;而Climax群落的多度呈“S”型分布,“中间类型”物种占据了群落的绝大部分,属于演替晚期群落。5)根据β多样性的差异,可将4个不同演替阶段群落的灌木层划分为初建灌木层(5 a)和稳定灌木层(15 a,23 a,Climax),草本层划分为剧烈变化草本层(5 a和15 a)和稳定草本层(23 a和Climax)。[结论]随着植物群落演替时间越长,青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地物种丰富度呈递减趋势,群落间的相似性越加接近,群落为正向演替,演替过程为灌木林--落叶阔叶林--针叶林--云杉-巴山冷杉林。

青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地草本植物群落构建机理

群落构建机制是生态学研究的核心论题。生态位理论和中性理论是阐明群落构建的两种主要理论,但这两种理论分别强调的环境过滤和扩散限制对群落构建的影响尚存争议。该研究以青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地不同演替阶段草本群落为研究对象,应用扩散-生态位连续体指数(DNCI)和校正随机率(MST),分析不同演替阶段草本植物群落的主导构建机制。研究结果显示:1)5、15和23 a群落与Climax群落之间的DNCI分别为-22.6169、-21.7507和-8.2594,都远小于0,表明不同演替阶段草本植物群落构建的主要驱动作用是扩散过程;2)5 a-Climax组和23 a-Climax组的MST值均高于50%阈值线,这表明随机性过程在两组群落构建中均占支配地位;对于15 a-Climax组,15 a的MST值为0.6664,Climax的MST值等于0.4927,说明15 a植物群落构建以随机性为主,而Climax群落构建以确定性为主;由于15 a的MST值远高于50%,而Climax的MST值较接近于50%的阈值,也可说明15 a-Climax组群落构建仍以随机性为主。在青藏高原东北边缘云杉-巴山冷杉林火烧迹地,随机扩散主导了草本植物群落的构建过程。

青藏高原东北边缘云杉-冷杉林火烧迹地的灌木群落特征

【目的】探究青藏高原东北边缘云杉-冷杉林火烧迹地植被恢复与重建过程中的灌木群落特征动态,阐明火烧迹地灌木群落多样性格局和维持机制的生态过程,为在火烧迹地恢复与重建过程中对植被进行合理干预、尽快恢复生态效益提供合理依据。【方法】以空间代时间方法,分析恢复5年和15年火烧迹地灌木群落和未过火林地林下灌木层物种组成特征、α物种多样性和β物种多样性。【结果】在5年、15年火烧迹地灌木群落与未过火林地林下灌木层之间,植物种类组成存在差异,5年火烧迹地共调查到11科17属24种,15年火烧迹地共调查到8科10属17种,未过火林地共调查到12科19属35种。5年、15年火烧迹地和未过火林地的物种丰富度指数与Pielou均匀度指数,以及5年火烧迹地的物种丰富度指数与Simpson指数、物种丰富度指数与Shannon-Wiener指数的相关性均不强(P<0.1或P>0.1),其他指数间的相关性均较强(P<0.001或P<0.01)。物种丰富度指数为5年火烧迹地>15年火烧迹地>未过火林地,Shannon-Wiener指数和Simpson指数均为15年火烧迹地>未过火林地>5年火烧迹地,Pielou均匀度指数为15年火烧迹地>未过火林地>5年火烧迹地。5年、15年火烧迹地灌木群落的物种组成最相似,未过火林地林下灌木层物种组成和15年火烧迹地灌木群落的相似度大于5年火烧迹地。【结论】青藏高原东北边缘云杉-冷杉林经重度林火干扰后,在不同恢复时间梯度上的物种组成存在差异。火后短时间内局部生境范围内物种丰富度增加,火烧迹地的物种多样性和优势度较低,物种分布不均匀。随着演替进行,物种丰富度减小,物种多样性和优势度上升,物种分布较均匀。随着火烧迹地演替正常进行,火烧迹地与未过火林地物种组成相似度增加,火烧迹地灌木群落朝着正向演替。

长白落叶松-云杉-冷杉混交林林分空间结构分析

用角尺度、混交度和大小比数3个林分空间结构参数对长白山过伐林区特有的长白落叶松Larix olgensis-云杉Picea jezoensis-冷杉Abies nephrolepis混交林进行了分析,目的是为长白落叶松-云杉-冷杉混交林林分结构的优化调整提供依据。结果表明:该林分的平均角尺度为0.520,林木分布格局为团状分布;林分的平均混交度为0.64,说明它是一个由不同树种组成的呈现中度混交结构状态的较复杂森林群落;从直径大小比数来看,林分中针叶树种具有胸径优势,尤其是云杉的直径优势最突出,红松Pinus koraiensis则分化严重,生长处于劣势。在实际应用中,可以根据林分平均角尺度以及各树种的角尺度、混交度和大小比数,分树种来确定采伐木,逐步使林分结构得到调整,接近最优结构。

青藏高原东北边缘云杉-冷杉林火烧迹地不同坡向植物群落结构与多样性研究

采用野外调查与植物群落相似性分析,研究了青藏高原东北边缘云杉-冷杉林火烧迹地不同坡向植物群落组成和物种多样性特点,结果表明:经过火后15年恢复,云杉-冷杉火烧迹地有草本植物22科40属46种,其中优势科有菊科,种类数最多(11种),其次为毛茛科6种,伞形科4种,蓼科3种,茜草科、龙胆科、蔷薇科和忍冬科各2种;在草地北坡、西北坡、东北坡和东坡分别分布着高山冷蕨+密生薹草+总状橐吾群落、密生薹草+高山冷蕨+野草莓群落、密生薹草+野草莓+箭竹群落和密生薹草+野草莓+总状橐吾群落;北坡的Margarlef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数最高,东坡的Simpson优势度指数最高,而4个坡向草地的Pielou均匀度指数差异不显著;不同坡向植物群落存在一定的梯度格局,但是彼此分布之间存在一定的差异。通过研究分析可以得出:随着坡向由阴坡(北坡)到半阳坡(东坡)的变化,植被盖度逐渐减小;北坡的Margarlef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数均最大,其次是西北坡和东北坡,而东坡的最小;不同坡向植被类型分异现象较弱,植物群落存在相似性。

SPF规格材弹性模量的动态测试及其概率分布

【目的】应用频率法精确测量SPF规格材的弹性模量，探讨应用威布尔分布分析其弹性模量数据的可行性。【方法】从南京北美木屋有限公司一批 SPF规格材中随机抽取容量为300的样本作为试件，采用弹性绳垂直自由悬挂方式的支承结构对试件实现自由梁，模态试验验证自由梁的精度。在瞬态激励下，通过测试试件一阶弯曲频率，得其弹性模量值；应用应力波法验证频率法测试结果的正确性。对其测试数据采用 Weibull分布拟合检验、威布尔分布和正态分布的 K-S检验、SPF规格材总体弹性模量在给定值下的概率计算和 SPF 规格材质量评价的概率分布方法进行研究。【结果】频率法和波速法测得的弹性模量具有较好的相关性；从威布尔分布和正态分布在参数未知时的 K-S检验结果可知，SPF规格材弹性模量不服从两参数威布尔分布（Eu =0），但服从于位置参数 Eu 大于最小测试值一半的三参数威布尔分布和正态分布；从 SPF 规格材总体弹性模量在给定值下的概率数据分析可得：以3500，4000，4500 MPa为Eu 的设定值时，计算的概率值稳定且基本相同，这时Eu 设定值分别是弹性模量测试的最小值5526 MPa的63%，72%和81%，因此推荐采用根据实测数据最小值的60%～80%作为位置参数Eu 设定值的三参数威布尔分布进行概率计算；三参数威布尔分布和正态分布计算的 SPF规格材弹性模量在给定值下的概率相等；从 SPF 规格材弹性模量的概率分布曲线和概率密度曲线可知，威布尔概率密度相对于它的均值（9997 MPa）略显不对称性，弹性模量不超过7000 MPa 时，正态概率分布曲线略高于威布尔概率分布曲线，超过7000 MPa后，则正好相反。【结论】模态试验验证了文中的试验装置实现了试件自由悬挂的支承条件，提出了频率法的测试方案，保证了一阶弯曲振动固有频率测试精度，可靠地推算出 SPF规格材的弹性模量；瞬态激励频率法测试 SPF规格材的弹性模量具有简便、快速、重复性好和精度高的优点；频率法和波速法测出的弹性模量具有较好的相关性，验证了频率法测试弹性模量的正确性；SPF规格材总体弹性模量服从三参数的威布尔分布和正态分布，并不服从于两参数的威布尔分布；正态分布计算的弹性模量不超过7000 MPa的概率高于威布尔分布的计算值，在其他范围，2种分布计算的概率值是相同的；SPF规格材总体弹性模量的三参数威布尔概率密度曲线相对于均值略显非对称性；在确定威布尔分布参数时，推荐按最小试验数据的60%～80%设定位置参数 Eu 值；计算 SPF 规格材总体弹性模量均值、标准离差和弹性模量在给定值下的概率，除弹性模量在低端范围内、正态分布计算的概率高于威布尔分布外，其他范围计算的概率值相同；应用三参数威布尔分布和正态分布计算 SPF 二级规格材总体的弹性模量不超过8000 MPa的概率分别为13．8%和13．6%。

结构用竹木材料的高温力学性能研究

为探究竹木材料在高温环境下的力学性能,研究了重组竹和云杉-松木-冷杉(SPF)两类竹木材料在不同温度(80、160、220℃)与不同处理时间(0.5、1、2、3 h)下的抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度和重量损失变化。结果表明:重组竹和SPF的力学性能随处理温度和处理时间的增加而逐步降低。在220℃的高温环境下,重组竹和SPF的力学性能降低较为显著。在处理3 h后,其抗压、抗拉、抗剪强度以及抗弯强度剩余率为20%~40%和36%~70%。高温处理后,降温方式对重组竹剩余强度的影响较小,而对SPF的影响较大。研究结果可为竹木建筑的防火处理、火灾后的竹木建筑性能评价提供理论基础。

静态和动态法测定加拿大SPF结构材弹性模量

运用静态3点弯曲试验和动态两端自由梁振动试验对加拿大SPF(云杉-松树-冷杉)结构材的弹性模量进行测试,分析了两种方法测量弹性模量的特点、联系及差异。试验结果显示,该批试件的平均弹性模量高于美国林务局林产品实验室《木材手册》提供的数据,静态法测试的弹性模量与动态法测试的没有显著差异。此外,节子、裂纹等缺陷是影响SPF结构材弹性模量的重要因素。

国产落叶松规格材木框架墙体抗剪性能研究

以日本落叶松、兴安落叶松及进口云杉-松木-冷杉(SPF)为木框架,以进口定向刨花板(OSB)为覆面板材料,设计制作了3组共12面木框架墙体.通过单向加载试验和低周往复加载试验,研究了不同木框架对墙体的单位长度承载力、极限位移、弹性抗侧刚度和耗能的影响.结果表明:以日本落叶松、兴安落叶松及进口SPF为木框架的墙体,单位长度承载力分别为9.59,7.08,9.05kN/m,极限位移分别为58.09,53.33,65.84mm,弹性抗侧刚度分别为1 369.92,1 126.30,1 119.04kN/m,耗能分别为7 839.89,5 262.74,8 027.20J/m.以日本落叶松制作的木框架墙体抗剪性能最好.

国产自攻螺钉抗钉帽拉穿强度研究

针对自攻螺钉的抗钉帽拉穿强度进行评价,测试了不同直径、不同钉帽形式的国产自攻螺钉在SPF规格材和重组竹中的抗钉帽拉穿强度。试验结果表明:在同种材料上自攻螺钉的抗钉帽拉穿强度取决于钉帽类型和螺钉直径。所有SPF试件均出现钉帽拉穿破坏,重组竹试件个别出现钉帽拉穿破坏,大部分则出现自攻螺钉拉断破坏。自攻螺钉在重组竹中的抗钉帽拉穿强度远大于在SPF规格材中强度。

SPF规格材弹性模量的频率法测试及其评价

本文首先借助模态试验验证了文中提出的试验装置对试件实现了自由支承,然后用瞬态激励测试了试件的一阶固有频率,并推算出SPF规格材的弹性模量。根据GB50005-2003《木结构设计规范》,评价了这批SPF规格材的弹性模量达Ⅱc级要求的概率为96.3%。瞬态激励频率法具有快速、简便、重复性好、精度高的优点。该方法对轻型木结构行业的检测工作具有一定的应用价值。

竹木材料的低温力学性能研究

基于可持续发展的需要,建筑等领域中的竹木材料应用逐渐增加。为探究不同含水率的竹木材料在低温环境下应用潜力,主要研究了两种含水率(绝干状态、气干状态)的厚篾glubam工程竹和SPF规格材(云杉-松-冷杉)在低温环境下(-196~20℃)与经历冻融循环后的抗弯性能。通过静曲试验分别测量了两种材料在低温状态下与经过单次冻融循环后的弹性模量和抗弯强度,旨在为竹木材料在寒冷地区的结构设计提供依据。结果表明:厚篾glubam和SPF在低温环境下的力学强度变化规律较为复杂,但均表现出良好的抗弯性能,其中各组厚篾glubam在-50℃均出现峰值强度,较常温有明显强度提升。相比于含有一定水分的气干材,绝干材的性能变化幅度较小。