钢夹板-螺栓连接胶合木梁疲劳试验研究

钢夹板-螺栓连接胶合木梁在实际工程运用中受到循环往复动荷载的作用,极易产生损伤累积而造成构件失效。为了研究钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳特性,通过不同应力水平下的等幅疲劳试验及静力对比试验,分析了钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳破坏形态与机理,研究了其刚度退化规律,探讨了疲劳极限荷载。试验结果表明,钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳破坏主要发生在加载点附近。随着疲劳循环次数的增多,钢夹板-螺栓连接胶合木梁的跨中挠度以及沿截面高度的拉、压应变均显著增大,压应变增幅大于拉应变,且应变分布情况基本符合平截面假定。试验梁的弯曲刚度随着疲劳循环次数的增加而呈现出线性退化,基于刚度退化的疲劳寿命预测与试验实测寿命基本吻合。钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳寿命随着应力水平的增大而降低,在应力比为0.2,应力水平不超过0.5倍静力极限荷载时,疲劳寿命均大于200万次,表明钢夹板-螺栓连接胶合木梁具有较好的疲劳特性。此外,还对疲劳载荷的振幅和疲劳寿命进行了线性回归分析,得到的疲劳极限载荷为0.5435 F_(u)。最后,利用ANSYS nCode软件对试验梁进行疲劳有限元分析,分析表明,该软件能较好地模拟钢夹板-螺栓连接胶合木梁在不同应力比下的疲劳响应。

大小跨高比落叶松胶合木梁抗弯性能对比研究

为对比大小跨高比落叶松胶合木梁的抗弯性能,对2组6根落叶松胶合木梁进行了四点弯曲试验研究,其中两组试件跨高比分别为20和12。结果表明:大、小跨高比胶合木梁的破坏形式分别为顺纹受拉脆性破坏和顺纹受剪脆性破坏;与大跨高比胶合木梁相比,小跨高比胶合木梁受弯极限承载力相对较高;大跨高比胶合木梁受弯过程中,中性轴位置基本不变;小跨高比胶合木梁受弯过程中,中性轴略有下移。小跨高比胶合木梁抗弯刚度约为大跨高比胶合木梁的3.4倍;大跨高比胶合木梁延性系数约为小跨高比胶合木梁的3.9倍。最后,基于极限应变分析方法,提出了胶合木梁发生受拉和受剪破坏界限跨高比的计算公式,并求得落叶松胶合木梁的界限跨高比为12.62。

钢夹板-螺栓连接胶合木梁抗剪性能试验

【目的】为探究钢夹板-螺栓连接胶合木梁的抗剪性能。【方法】考虑螺栓顺纹间距(80、100、120 mm)、螺栓并列和错列布置方式等参数的影响,设计制作了7组共21根钢夹板-螺栓连接胶合木试验梁,并采用五点弯曲法进行了试验梁的抗剪性能试验。【结果】1)钢夹板-螺栓连接胶合木梁整体工作性能优良且组合效应显著,其受力过程经历弹性和弹塑性两个阶段。相较于普通胶合木梁,其刚度和抗剪承载力均有较大的提升。2)胶合木梁剪切破坏源于综合应力较大的跨中中性轴附近,其破坏形态为顺纹错动剪切破坏,破坏前无明显征兆,为脆性破坏。螺栓均有轻微的弯曲变形,表明胶合木梁采用钢夹板-螺栓连接形式具有较高的可行性与稳定性。3)与普通胶合木梁相比,随着螺栓顺纹间距的增加,螺栓并(错)列布置的试验梁极限承载力提高了24.5%、35.7%、48.8%(20.0%、30.1%、38.2%),极限竖向位移降低了7.2%、11.8%、16.1%(11.9%、19.1%、26.4%)。并列组试验梁木材主应变增长趋势相较错列组试验梁木材主应变更大,错列组试验梁的开裂荷载比并列组试验梁提高较多。4)由钢夹板-螺栓连接胶合木梁抗剪承载力简化计算式得到的抗剪承载力计算值与试验值能较好吻合,平均误差均在9%以内,且计算值偏于保守。【结论】通过钢夹板-螺栓连接胶合木梁的抗剪性能试验,分析了其破坏过程,总结了其在极限状态下的受力变形规律,揭示了破坏机理,并基于试验数据拟合,提出了抗剪承载力简化计算公式。

带裂缝胶合木梁柱螺栓-钢填板加固节点的抗弯性能研究

对于带裂缝胶合木梁柱螺栓-钢填板连接节点,提出了运用钢箍、碳纤维布和自攻螺钉三种加固方案。在考虑裂缝影响的基础上,利用ABAQUS有限元软件对加固节点进行精细化模拟,分析加固节点的应力分布与变形情况,研究加固节点的抗弯性能,并与完好节点、未加固带裂缝节点进行对比。结果表明,加固节点的承载力和刚度可有效恢复,不同加固节点的抗弯承载力可恢复至完好节点的954%-1018%,初始刚度可恢复至完好节点的979%-1026%,其中抗弯承载力相比于未加固节点提高约644%-756%。另外,钢箍、碳纤维布和自攻螺钉均可有效地限制既有裂缝发展,提高加固节点的延性,恢复节点的耗能能力。

BFRP筋增强胶合木梁受力性能分析

为有效提高胶合木梁的抗弯刚度,以东北落叶松为基材,制作了6组(1组未加筋和5组加筋)、每组3根共18根胶合木试验梁,分别对BFRP筋增强胶合木梁和纯胶合木梁的受力性能、破坏形态和极限承载力进行了试验研究,测试了荷载、挠度、应变、裂缝的发生以及发展状况等。同时,根据各试验梁的破坏形态,对比分析了BFRP筋增强胶合木梁和纯胶合木梁的破坏机理及不同配筋率情况下BFRP筋增强胶合木梁的抗弯刚度与极限承载力。结果表明:1)BFRP筋增强胶合木梁和纯胶合木梁的破坏形态类似,均呈现受拉脆性破坏、受拉延性破坏和受压延性破坏三种破坏形态;即配筋率小于0.77%时,BFRP筋增强胶合木梁为受拉脆性破坏,配筋率为0.77%～1.51%时,为受拉延性破坏,配筋率大于1.51%时,为受压延性破坏;且前二者破坏均有明显的裂缝发生、发展过程。2)BFRP筋不仅明显改善了胶合木梁的延性性能,还延缓了胶合木梁的受拉脆性破坏时间,大大提高胶合木梁的抗弯刚度,从而充分发挥梁顶受压区胶合木的强度,同时使胶合木梁的承载能力也得到提高。3)当配筋率增大到超筋后,其承载能力不再继续增大。

预应力配筋胶合木梁受弯性能试验

为改善普通胶合木梁受弯时挠度过大以及木材抗压强度和钢筋抗拉强度的利用不充分等缺点,提出一种新型预应力配筋胶合木梁构件。通过3组预应力配筋胶合木梁、1组普通配筋胶合木梁、1组普通胶合木梁的受弯试验,分析了普通胶合木梁、配筋胶合木梁、不同预应力水平的预应力配筋胶合木梁的受弯性能。结果表明：预应力配筋胶合木梁与普通胶合木梁相比,受弯极限承载力提高31.3%～64.4%、抗弯刚度约提高33.33%。配筋数量相同时,随着预加力的增大,构件的极限承载力提高,而抗弯刚度基本不变。配筋适量、预加力适度时,预应力配筋胶合木梁可以更好的利用木材抗压强度和钢筋抗拉强度,有效的减小梁的挠度变形,破坏时表现出较为明显的塑性破坏特征。

内嵌钢板销式连接胶合木梁短期受力性能

内嵌多块钢板销式连接是重型木结构最有效的连接方式之一,已越来越广泛地应用于木结构节点连接中.采用四点弯曲加载试验方法,对两根内嵌三块钢板销式连接胶合木梁短期受力性能进行了试验研究,其中一根梁的连接节点位于纯弯段,另一根梁的连接节点位于弯剪段.研究采用此类连接胶合木梁的力学性能、破坏模式以及连接位置对胶合木梁力学性能的影响等,并基于试验结果推导采用此类连接胶合木梁的极限承载力和挠度计算公式.试验结果表明:构件的极限承载力和跨中挠度与连接节点的位置有关,连接节点位于弯剪段胶合木梁的承载力大于连接节点位于纯弯段胶合木梁的承载力;理论计算结果与试验数据符合较好,可为木结构的设计和应用提供参考.

花旗松胶合木梁声发射信号及其传播特征研究

针对胶合木梁声发射无损检测问题,研究花旗松胶合木梁声发射信号时频域特征及其传播规律,以及微弱声发射信号的小波分析方法。首先采用NI高速数据采集设备及LabVIEW软件构建木材声发射信号采集平台,然后通过铅芯折断模拟声发射源,分析声发射信号在表面和厚度方向上的时频域特征及传播速率,最后针对铅芯滑动引起的微弱声发射信号,采用小波分析方法重构声发射信号波形。研究表明,采用铅芯折断模拟声发射源时,花旗松胶合木梁表面和厚度方向的声发射信号频率都集中在70kHz左右,且声发射信号沿表面传播速率更大,但沿厚度方向的信号衰减更加明显。对于"淹没"在噪声中的微弱声发射信号,采用小波分析的方法能够有效重构声发射信号波形。研究结果为花旗松胶合木梁声发射无损检测提供必要的基础理论依据。

钢板增强胶合木梁的抗弯性能

为了改善普通胶合木梁的受力性能,提出了在其底部粘贴钢板或增设螺钉的增强方式,从而形成钢板增强胶合木梁。进行了21根梁的抗弯试验,分析了钢板厚度、是否设置螺钉对梁破坏形态、承载力和变形能力的影响,并与普通胶合木梁进行对比。结果表明:粘贴2、3和4mm厚钢板增强后,梁承载力分别提高了73.3%、90.0%和71.0%,随着钢板厚度的增加,承载力先增大后减小;粘贴同厚度钢板并设置螺钉后,梁承载力分别提高了76.4%、96.9%和148.6%,随着钢板厚度的增加,承载力增大,螺钉的增强效果在钢板较厚时表现明显。钢板增强后,梁的极限变形比普通胶合木梁提高了6.2%~61.1%,钢板厚度和是否设置螺钉对梁变形能力的影响与其对承载力的影响类似。在验证了钢板增强胶合木梁基本符合平截面假定后,提出了此类构件的受弯承载力计算公式,并与试验结果进行对比,结果表明,理论值与试验值的平均误差不大于10%。

玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能的影响

在普通胶合木梁上粘贴玄武岩纤维复合材料,经抗弯试验,检测不同层数玄武岩纤维布和玄武岩纤维板对胶合木梁的增强效果。结果表明：玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能有很好的增强效果;与未增强的胶合木梁相比,受弯极限承载力提高幅度为20.88%~111.25%,抗弯刚度提高幅度为18.7%~27.6%,延性系数提高幅度为23.0%~74.3%。对于玄武岩纤维复合材料配量适中的增强胶合木梁,在受拉区层板破坏的同时,受压区层板出现压屈褶皱,木材抗压强度得到比较充分的发挥,破坏时表现出明显的塑性破坏特征。玄武岩纤维复合材料的存在,能有效降低木材缺陷对胶合木梁受弯性能的不良影响。

钢夹板螺栓连接胶合木梁抗弯性能研究

为探讨钢夹板螺栓连接胶合木梁的抗弯性能,针对采用钢夹板螺栓连接进行接长的胶合木梁的构造特点,考虑拼接的两段梁是否来源于同一根胶合木、螺栓顺纹间距及螺栓并列、错列布置3个影响因素,设计制作13组共39根试验梁,进行抗弯性能试验。采用有限元数值模拟方法,探讨钢夹板螺栓连接胶合木梁的破坏机理及螺栓端距和直径、钢夹板和胶合木厚度等影响参数对其抗弯性能和承载力的影响规律。试验与计算结果表明:螺栓顺纹间距对钢夹板螺栓连接胶合木梁的抗弯性能影响显著,而螺栓并、错列布置方式与拼接的两段梁是否来源于同一根胶合木对钢夹板螺栓连接胶合木梁的抗弯性能影响较小。随着螺栓顺纹间距的增大,试件的初始抗弯刚度和抗弯承载力明显提高。采用钢夹板螺栓连接方式可以实现胶合木梁的接长,在一定范围内增大螺栓端距和直径、钢夹板和胶合木的厚度还能提高钢夹板螺栓连接胶合木梁的抗弯承载力。装配式木结构中可以采用钢夹板螺栓连接方式对胶合木梁进行接长,其抗弯性能受螺栓顺纹间距的影响较大。对螺栓端距、螺栓直径、钢夹板厚度、胶合木厚度的参数研究可为装配式木结构的设计与应用提供参考。

预应力胶合木梁受压区层板胶合木受压性能试验

为了选择适用于新型预应力胶合木梁受压区的层板胶合木,选取SPF(云杉—松—冷杉)、杨木、东北落叶松和桉木等木制材料,研究树种类别、树种组合、层板厚度和组坯方式等因素对层板胶合木受压性能的影响。采用自行提出的棱柱体胶合木试块,利用自行研制的对夹式引伸计,通过4批次17组102个层板胶合木试块的顺纹受压试验,研究了层板胶合木的弹性模量、顺纹抗压强度、受力特征及破坏形态。结果表明:杨木、东北落叶松和桉木的弹性模量及顺纹抗压强度均高于进口木材SPF,尤其是杨木和东北落叶松的受压性能明显好于其他木材;不同树种组合与单一树种试块的弹性模量及顺纹抗压强度数值接近,不同树种组合具有一定的可能性;虽然随着层板厚度的减小,试块的弹性模量及顺纹抗压强度都有一定的上升趋势,但层板厚度和组坯方式对受压性能的影响不大。

高温预处理对足尺胶合木梁力学性能的影响

【目的】研究高温预处理对足尺胶合木梁力学性能的影响,明确高温热改性和环境湿度对木材平衡含水率、木材顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度的影响规律,揭示高温预处理对胶合木梁抗弯性能影响的作用机制,为高温热改性技术在木结构领域中的应用提供参考。【方法】以高应力等级的兴安落叶松为研究对象,采用工业化热处理技术对落叶松木材进行高温热改性,以高温热改性后的落叶松木材为层板,制备12个足尺胶合木梁。基于EN 408标准四点弯曲方法,分析高温热改性和环境湿度对胶合木梁抗弯弹性模量、抗弯强度、破坏模式、跨中截面荷载-应变曲线和跨中截面应变分布规律等抗弯性能的影响。【结果】高温热改性会在一定程度上降低胶合木梁的抗弯强度,但可明显提高高湿度条件下胶合木梁的抗弯弹性模量,与90%环境湿度下未处理胶合木梁相比,高温热改性后,同湿度下胶合木梁的抗弯强度降低29.79%,抗弯弹性模量提高23.71%;高温热改性可降低胶合木梁抗弯弹性模量对环境湿度的敏感性,环境湿度从60%提高到90%,未处理胶合木梁的抗弯弹性模量降低23.27%,经高温热改性预处理的胶合木梁抗弯弹性模量降低7.55%;60%和90%环境湿度下的荷载-位移曲线和跨中截面应变分布曲线表明,胶合木梁在高湿环境中具有更明显的非线性特性,高温预处理后的胶合木梁表现为线弹性。环境湿度对胶合木梁的抗弯性能具有较为明显的劣化作用,90%湿度下胶合木梁抗弯强度和抗弯弹性模量分别为43.98 MPa和12.191 GPa,比60%湿度下未处理胶合木梁低17.07%和23.27%;环境湿度对木材平衡含水率影响明显,高温热改性是降低木材平衡含水率的有效措施,环境湿度从60%提高到90%,高温热改性处理后落叶松木材平衡含水率分别从10.74%和20.62%降至4.76%和11.18%。【结论】60%和90%环境湿度条件下,未处理胶合木梁为拉伸破坏,高温热改性构件为拉剪联合破坏,高温热改性后材料的顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度降低是材料破坏模式改变的根本原因。高温热改性后胶合木梁在高湿环境条件下抗弯弹性模量明显改善。

体外预应力胶合木梁抗弯性能试验研究

为研究体外预应力胶合木梁在静载作用下的受夸}生能，开展了21根胶合木梁的试验，其中包括未增强、非预应力增强和体外预应力胶合木梁；通过改变张拉控制应力的大小、转向装置撑杆高度、胶合木梁截面形式，研究木梁破坏形态与破坏机制，对比分析了不同构件的极限承载力与抗弯刚度等结构性能。结果表明：增强或预应力构件的破坏形式主要表现为受压区屈服破坏；相比未增强胶合木梁，非预应力增强胶合木梁的受弯极限承栽能力和刚度分别提高了26．5％和17．6％，而预应力增强胶合木梁则分别提高了28．8％-81．8％和44．9％；此外，通过改变撑杆高度及优化木梁截面，也可显著提高木梁的结构性能。

张弦及加载方式对预应力胶合木梁受弯性能的影响

采用一点张弦一点加载、一点张弦两点加载、两点张弦一点加载、两点张弦两点加载等4种不同的张弦加载方式,对4组12根预应力胶合木梁进行受弯试验,分析4种不同张弦和加载方式对预应力胶合木梁受弯性能的影响。结果表明:在预加力数值一定的前提下,加载点相同时,改变张弦方式对胶合木梁的极限承载力影响不大;张弦点相同时,两点加载比一点加载胶合木梁的极限承载力提高28.8%~38.9%;只有两点张弦两点加载时,梁顶受压区出现褶皱、梁底发生延性受拉破坏,其余破坏形态均为梁底脆性受拉破坏;加载过程中,两点加载较一点加载梁刚度略有提高、可使木材的抗压强度发挥更为充分,提高木材与钢丝的利用率。

预应力胶合木梁的受弯性能试验研究

对21根胶合木梁的受弯性能进行了试验研究,其中包括螺纹钢筋增强、预应力胶合木梁和未增强胶合木梁.通过试验分析了构件的破坏形态与破坏机理,对比分析了不同构件的极限荷载与抗弯刚度等受弯性能.试验结果表明：增强或预应力构件的破坏形式主要表现为受压区屈服破坏;相比未增强胶合木梁,非预应力钢筋增强胶合木梁的受弯极限承载能力提高了14％,而预应力增强胶合木梁则提高了19％～50％;梁内无粘结预应力配筋对构件的物理刚度贡献不大;在木梁受压区配置适当的非预应力钢筋,能进一步提高其结构性能.

基于无损检测的胶合木梁弹性模量评价

采用超声波法、应力波法、横向振动法3种无损检测方法测试了4组不同尺寸的落叶松胶合木梁及锯材的动弹性模量.试验结果表明:3种方法检测的动弹性模量均大于静弹性模量,其大小顺序为E_u>E_(sw)>E_t;静、动弹性模量之间呈现显著的线性相关性,在3种无损检测方法中,横向振动法所测的动弹性模量与静弹性模量的相关性最高,误差最小,是最准确且最好的一种方法,可以用于工程中快速评价胶合木梁的弹性模量。

胶合木梁变幅疲劳寿命估算试验研究

【目的】疲劳破坏具有突发性的特点,且其破坏荷载低于极限荷载,是大多数结构物的破坏形式。当结构发生疲劳破坏时,是相当危险的。和其他结构构件一样,胶合木梁在承受循环荷载时也会发生疲劳破坏。因此,本研究旨更准确地预测胶合木梁的疲劳寿命,可为胶合木在工程中运用提供依据。【方法】基于前人等幅疲劳试验结果,开展了胶合木梁二级变幅疲劳试验。通过对3根胶合木梁的二级变幅疲劳试验,测试了其应变和挠度变化规律,观察了其变幅疲劳破坏形态和裂缝发展规律,并同时得到胶合木梁在不同幅值下的疲劳寿命。结合试验结果,运用疲劳累积损伤理论,估算胶合木梁的寿命。【结果】根据变幅疲劳试验结果,结合几种疲劳累积损伤理论,利用修正Miner理论计算公式反算得到公式中的参数a=0.54,同时利用Corten-Dolan理论计算公式反算得到公式中参数d=5.70。并分别运用Miner理论、修正Miner理论和Corten-Dolan理论对变幅疲劳试验下胶合木梁进行了寿命估算,得到在不同疲劳累积损伤理论下,3根变幅疲劳试验梁的估算寿命。并分别比较各种理论下的寿命估算值和试验值。【结论】利用Miner理论的估算寿命和试验结果相比,两者相差较大,Miner理论寿命估算精度较低,而修正Miner理论和Corten-Dolan理论计算结果和试验结果吻合较好且精确度较高。为今后工程应用中运用修正Miner理论或Corten-Dolan理论对胶合木梁的疲劳寿命进行设计计算提供了依据。建议在工程实践中,应用修正Miner理论或者Corten-Dolan理论对胶合木梁寿命进行估算。

尺寸效应对配筋胶合木梁受弯性能的影响

采用3组截面尺寸和跨度分别为100mm×150mm×3000mm、150mm×225mm×4500mm、200mm×300mm×6000mm的配筋胶合木梁,进行受弯试验,分析尺寸效应对胶合木梁的破坏形态、极限承载力、荷载-挠度曲线等受弯性能的影响。结果表明:胶合木梁随着截面尺寸及跨度的变大,实际极限荷载低于理论极限荷载,并且胶合木梁尺寸越大,其极限荷载降低幅度越大。配筋胶合木梁的刚度值,比未配筋胶合木梁的刚度值提高幅度,随胶合木梁尺寸的增加而减小,即胶合木梁在强度和刚度方面存在明显的尺寸效应;但尺寸效应对配筋胶合木梁的破坏形态影响不大,而且配置的钢筋强度均得到充分发挥,配筋胶合木梁的合理配筋率得到进一步验证。

依据木材本构关系的胶合木梁抗剪性能数值模拟方法

依据哈辛(Hashin)失效准则,编制用户材料子程序(UMAT)嵌入有限元软件(Abaqus)中,然后建立有限元模型,模拟胶合木梁顺纹剪切破坏过程及破坏形态,探索胶合木梁的受剪机理,分析加载方式、剪跨比、剪切面积等参数对胶合木梁顺纹受剪性能的影响。结果表明:加载方式为五点弯曲法时,更有利于检验胶合木梁的顺纹剪切破坏模式;剪跨比、横截面积越小时,越容易发生顺纹剪切破坏。通过有限元的模拟结果与理论公式计算结果对比,验证了本构模型的可行性。