循环荷载作用下木材顺纹受力特性与本构模型研究

木材循环受力特性与本构模型是木结构在地震、疲劳荷载作用下受力分析的关键。作者设计并加工了一种适用于顺纹循环加载的棱柱体狗骨状木试件与配套夹具,基于35个试件的单调受拉、单调受压等单调加载和循环受拉、循环受压、等幅拉-不等幅压、等幅拉压等循环加载试验,分析木材在不同加载条件下的变形特征、破坏模式、应力-应变全曲线性质与加卸载刚度变化行为,并结合木纤维损伤与断裂特征,进一步揭示木材单调/循环受力全过程变形机制。结果表明:木材顺纹拉应力呈前期稳定发展、后期随机跌落特征;顺纹受压在峰值荷载后产生屈曲和剪切两种典型局部化变形模式;循环加卸载骨架曲线与木材单调受拉/受压特征相似,卸载后的反向再加载刚度显著退化。在此基础上,建立能够综合描述木材单调与循环受力行为的统一本构模型,并由试验验证其正确性。研究结果可为木结构数值分析与力学评估提供依据。

密度与含水率双因素作用下重组竹顺纹弹性模量的预测与分析

本研究选取3组不同密度(1.10、1.20、1.30 g/cm^(3))和5组不同含水率(4%,8%,12%,16%,20%)的重组竹试件进行顺纹抗拉、抗压试验,分析不同密度和含水率作用下重组竹顺纹抗拉、抗压弹性模量的变化规律。结果发现,重组竹顺纹抗拉、抗压弹性模量随密度的增大而增大,随含水率的升高而减小并趋于平衡;通过试验研究和数据拟合提出重组竹顺纹抗拉、抗压弹性模量的双参数耦合模型,线性组合模型和ASTM组合模型均能较好地预测重组竹顺纹抗拉、抗压弹性模量随密度和含水率变化后的理论值,顺纹抗拉弹性模量的实测值与线性组合模型和ASTM组合模型预测值之间最大误差为5.28%和8.20%;顺纹抗压弹性模量的实测值与线性组合模型和ASTM组合模型预测值之间最大误差为8.91%和8.67%,因线性组合模型计算更为简便,建议在实际应用中优先选用。

机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度

以杉木锯材为研究对象,对比了不同强度等级机械应力分级杉木锯材的动态弹性模量范围和试样数,探究了机械应力分级杉木锯材的顺纹抗拉强度概率分布规律,并开展了机械应力分级杉木锯材顺纹抗拉的可靠度分析.结果表明:可基于动态弹性模量对杉木锯材进行机械应力分级,机械应力分级杉木锯材位于主要强度等级材质区域Q_(2)、Q_(3)、Q_(4)的试样数占比超90.0%,其顺纹抗拉强度的最优概率分布为对数正态分布;杉木锯材顺纹抗拉强度设计值明显高于未分级和目测分级杉木锯材.

竹单层顺纹拉伸性能测试与分析

竹材中纤维束密度从竹黄到竹青沿径向逐层增加,为了获得竹材任意单层的顺纹拉伸性能,基于竹材的层合特性,提出从竹青、竹黄两面逼近的削减法。从竹青、竹黄两侧按一定厚度依次削减至竹片中心层以获得不同厚度的测试试件,并测得其顺纹拉伸性能。研究建立竹单层与削减后试件的拉伸力学关系模型,获得相应竹单层的顺纹弹性模量及拉伸强度。通过对毛竹顺纹拉伸试验及计算分析,获得了沿径向弹性模量、拉伸强度的数学表达式;各单层的弹性模量与拉伸强度的计算式分别为E=5.86+34.02/[1+(x/1.34)^(2.21)]和σ=86.21+505.2/[1+(x/1.34)^(2.19)]。结果表明:毛竹的各层力学性能从竹青层至竹黄层逐渐递减;单层计算式误差随分层数增加而减小,当取单层厚度为0.5 mm(16等分)时,其竹材弹性模量与拉伸强度计算值与试验值的误差分别为2.41%,4.26%。本研究获得了毛竹顺纹弹性模量及拉伸强度沿径向的变化规律,对竹单层计算精度高,为竹材力学性能分析及利用提供了一种有效的方法。

毛竹顺纹抗拉性质的变异及与气干密度的关系

将毛竹轴向分段（4段）、径向分层（6层）取样,研究其顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度的变异规律,顺纹抗拉性质与气干密度之间的关系.结果表明：毛竹的顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度的径向变异很大,不同位置竹材的顺纹抗拉弹性模量为8.49～32.49 GPa,最外层竹材的顺纹抗拉弹性模量约是最内层的3～4倍;不同位置顺竹材顺纹抗强度在115.94～328.15 MPa之间,最外层竹材的顺纹抗强度是最内层的2～3倍.用直线方程预测毛竹顺纹抗拉性质的效果略优于曲线方程的效果.

竹楠木顺纹力学性能试验研究

目的分析比较几种胶合木材料,研究竹楠木拉、抗压基本力学性能,给出基于木材强度设计值的计算方法为基础的竹楠木拉压强度设计值建议值.方法按照《木材物理力学性能试验方法》和《木材无疵小试样的试验方法》对竹楠木材顺纹抗拉和抗压进行试验研究,测得竹楠木顺纹抗拉、抗压强度.结果试验结果表明竹楠木抗压经历了弹性、弹塑性和破坏3个阶段,发生塑性破坏;抗拉经历了较长的弹性阶段后发生脆性破坏.试验得到竹楠木顺纹抗拉强度可达98.1 MPa,顺纹抗压强度可达73.3 MPa.结论竹楠木顺纹强度具有离散性,抗拉强度的离散性要高于其抗压强度.竹楠木胶合竹材能够满足建筑结构对材料抗拉压力学性能的要求,试验结果对竹楠木的合理利用和深入研究提供理论依据.

榆木顺纹压缩率和PDR的变化规律研究

对不同质量分数氢氧化钠碱液软化处理的榆木幼龄材和成熟材试材分别进行顺纹压缩试验,对其顺纹压缩率和永久变形率(PDR)的变化规律以及顺纹压缩后的恢复情况进行分析,试验结果表明:NaOH的质量分数为6%～7%,改性剂的质量分数为10%～15%时,获得最大顺纹压缩率和PDR值;相同顺纹压缩率时,溶液浓度和PDR值呈正相关,且幼龄材的PDR值大于成熟材;顺纹压缩后的恢复曲线分为弹性变形恢复阶段、弹塑性变形恢复阶段和塑性变形阶段;幼龄材的恢复速率小于成熟材。

激光测距方法测量结构材的顺纹抗拉弹性模量

该文以经过120 d、温度90℃条件下窑干干燥处理的56根日本柳杉人工林结构材(110 mm×55 mm×2 500 mm)作为测试试件,介绍了一种利用激光测距系统测量顺纹抗拉弹性模量的方法.首先将试件含水率调至15%,在抗拉试验开始前采用纵向基频振动方法(FFT)得到试件的动态弹性模量(Efr),再利用由激光测距仪、数据采集器和计算机处理系统组成的激光测距系统,测定了顺纹抗拉弹性模量(Et),最后破坏试件完成顺纹抗拉强度(σt)的测定.对Efr、Et和tσ相互关系的比较分析表明,Et的平均值比FFT方法得到的Efr的平均值小7.8%(0.63GPa);Et与Efr具有很好的相关性,相关系数R为0.971,在0.001水平上呈显著相关;Et和σt的相关系数R为0.727,也在0.001水平上呈显著相关.足尺试件的顺纹抗拉测试结果表明,激光测距方法可以准确地测量结构材在顺纹受拉时发生的拉伸变形,从而得到可靠的抗拉弹性模量试验结果.

速生杨木单板顺纹弹性模量预测模型

着重讨论速生杨木单板顺纹弹性模量预测模型 ,模型中考虑到单板的压缩率、单板中含胶量、单板的密度和单板的厚度等影响因素。结果表明 ,单板顺纹抗拉弹性模量的模型预测值与实际值之间能较好拟合 ,并且能够反映压缩率和浸胶量对单板顺纹抗拉弹性模量关系。笔者分析了速生杨木单板的压缩率与热压单位压力的关系 ,试验表明单板的压缩率与压力呈非线性关系。

榆木顺纹压缩弯曲技术

木材从力学角度上看是一种粘弹性材料 ,从结构上看又是一种多孔材料 ,木材的这个特性 ,可以使其进行简单的弯曲 ,但是要获得较小的弯曲曲率半径 ,首先应强化木材软化机理的研究 ,增大木材的塑性 ;其次研究木材软化处理后的顺纹压缩机理和压缩技术 ,使木材在顺纹压力的作用下 ,细胞壁中微纤丝之间产生滑移 ,导致木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱 ,木材在弯曲力矩的作用下 ,弯曲时的受压面形成褶皱 ,受拉面形成展皱 ,在允许的形变范围内获得较小的弯曲曲率半径。本文研究结果表明 ,试件尺寸为 2 80mm× 1 6 5mm× 1 6 6mm时 ,经过水热软化处理后 ,顺纹压缩率达到 2 4 % ,试件回弹后的长度最小为 2 6 1 74mm时 ,弯曲的曲率半径最小为 4 2 5mm ,测试的试件平均值为 5 6 94mm。

火炬松种源顺纹抗压强度变异及与树龄、晚材率、木材密度相关分析

福建引种火炬松种源试验结果表明:31个种源15年生木材顺纹抗压强度均值为39.89 MPa,变化范围为32.85～46.13 MPa;种源间木材顺纹抗压强度差异显著,其广义遗传率为hf＞0.429,且随株内年轮数的增加或树龄的增大而明显增大;种源内个体差异大于种源间变异,栽培环境对木材顺纹抗压强度有着显著的影响.31个参试种源木材顺纹抗压强度与其树高、木材密度、晚材率和生长轮年龄呈显著正相关,与其胸径呈显著负相关.株间相同生长发育阶段或相同树龄情况下,年轮宽度与顺纹抗压强度呈负相关,这种负相关系数随着树龄增大而逐渐减小.美国东部海岸地区原产地种源经度与其顺纹抗压强度呈显著负相关,其原产地夏季降水量及其与年降水量的比值与顺纹抗压强度为显著的正相关;南部墨西哥湾地区原产地种源经度与其顺纹抗压强度则呈显著正相关,夏季降水量及其与年降水量的比值与顺纹抗压强度为不显著的负相关.原产地纬度、经度、1月份平均最低温、年均温、6～9月份降水量、年降水量、6～9月份降水与年降水之比和无霜期8个因子中,种源原产地纬度对顺纹抗压强度影响多为负相关.

线弹性断裂力学原理在木材中应用的特殊性与木材顺纹理断裂

阐述了线弹性断裂力学 (LEFM)的原理以及在木材中应用的特殊性 ,并以杉木和马尾松为研究对象 ,采用不同试样和方法测定了木材的顺纹断裂韧性KTLIC 。研究表明 ,建立在各向同性体之上的LEFM原理对木材裂纹顺纹扩张是适用的 。

基于abaqus的木材顺纹动态压缩仿真实验

以一维应力波理论和破坏理论为基础,利用abaqus有限元分析软件进行动力学仿真实验。介绍了一维应力波的传播过程,并推导了杆中质点沿x轴方向速度与质点轴向应力、应变之间的关系。根据影响木材力学特性的因素,选取了具有一定代表性的顺纹樟子松作为实验试件.使用abaqus软件对木材顺纹动态压缩进行建模,约束边界条件、设定参数、仿真。本实验通过对仿真结果的分析获得了木材动态压缩的力学特性关系,为检测木材在高应变率压缩状态下的力学性能提供了有利的参考依据。

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。

水热-微波处理对榆木软化和顺纹压缩及弯曲的影响

采用水热-微波处理方法对榆木成熟材进行软化处理,通过顺纹压缩率、单维和多维弯曲最小曲率半径表征木材软化效果;以XRD,FTIR等方法测定木材表面组成、结晶度变化,分析软化处理对木材顺纹压缩的影响。结果表明:水热-微波处理可显著增强木材的软化性能,处理后木材中的抽提物几乎完全抽出(1.73%～0.47%),半纤维素发生明显降解,使木质素相对含量得到增加,木材表面羟基数量显著增加;非结晶区微纤丝趋于有序,相对结晶度提高,结晶区表面微纤丝羟基裸露,氢键键合增强,结晶区宽度增加。当采用处理方案为B时,顺纹压缩率最大,单维和多维弯曲时的曲率半径最小。较高的结晶度和适宜的羟基数量是试样B表现出较高软化性能的主要原因。

盐分对CFRP加固胶合木顺纹抗剪强度的影响

结果表明:横纹粘贴CFRP加固胶合木的抗剪强度较顺纹粘贴方式高;3种浓度的盐溶液处理横纹粘贴CFRP加固试件均降低了试件的抗剪强度;4%溶液处理的试件顺纹抗剪强度最大;相同浓度的盐环境处理条件下,随着周期的延长,试件的抗剪强度趋于稳定.

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DSCM的竹材顺纹抗拉弹性模量测定

将数字散斑相关方法(DSCM)用于研究竹材顺纹抗拉弹性模量,并将结果与常规引伸计法结果进行了比较。结果表明两种测定方法误差不超过5%,说明DSCM方法能成功运用于竹材的顺纹抗拉弹性模量的测定。利用该方法测定了5个不同竹龄靠近竹青处、竹肉及靠近竹黄处竹材的顺纹抗拉弹性模量。结果表明:从竹青至竹黄竹材顺纹抗拉弹性模量大致呈依次减小的趋势;随着竹龄的增大,竹材顺纹抗拉弹性模量也呈逐渐增加的趋势。

水热-微波处理水曲柳顺纹压缩应力-应变本构关系

通过对水热-微波联合处理的水曲柳幼龄材和成熟材顺纹压缩过程中应力-应变关系和木材化学组分变化的分析,建立木材顺纹压缩应力-应变本构关系。结果表明:在水曲柳顺纹压缩的初始阶段,应力-应变符合线性的弹性虎克定律;在弹塑性阶段,也基本符合线性的力学关系,建立的水曲柳幼龄材和成熟材顺纹压缩应力-应变本构关系由常数项(比例极限应力)和应力-应变线性关系表达式两部分构成;相同顺纹压缩率下幼龄材弹性模量和应力大于成熟材,主要受到木材化学组分差异的影响。

低温环境下桦木顺纹抗压强度的研究

为揭示不同水分状态木材在低温环境下的力学强度变化规律,研究了5种水分状态(饱水、生材、纤维饱和点、气干、绝干)桦木木材在0^-196℃低温环境下的顺纹抗压强度,并与室温环境下(20℃)的5种水分状态木材顺纹抗压强度进行比较。结果表明,在低温(0^-196℃)环境下,随着测试环境温度的降低,木材顺纹抗压强度增加,在-196℃环境下,5种水分状态的桦木顺纹抗压强度比室温环境下分别增加821.24%,718.05%,632.87%,223.75%和95.28%。木材顺纹抗压强度与温度呈线性关系,其斜率代表了顺纹抗压强度随温度变化的增加率,即木材含水率越高,随着低温温度的降低,顺纹抗压强度增速越大。在低温环境下,木材细胞中水分形成的冰柱,是木材顺纹抗压强度增加的主要原因。对绝干材而言,木材细胞壁上纤维和纤维胶着物质发生硬化,是其顺纹抗压强度增加的主要原因。