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胶合木梁变幅疲劳性能试验研究

胶合木梁变幅疲劳性能试验研究

作者：张竞峥中南林业科技大学

学位级别：硕士

目前,现代木结构的研究主要集中在静力性能研究方面,而动力性能方面的研究不充分。随着结构服役寿命的增长,胶合木梁的疲劳问题引起了研究者们的关注。因此,开展胶合木梁在变幅疲劳性能试验研究具有一定的理论意义和实际工程价值。本文... 详细信息

目前,现代木结构的研究主要集中在静力性能研究方面,而动力性能方面的研究不充分。随着结构服役寿命的增长,胶合木梁的疲劳问题引起了研究者们的关注。因此,开展胶合木梁在变幅疲劳性能试验研究具有一定的理论意义和实际工程价值。本文的研究工作与成果如下:(1)通过对胶合木梁的静力试验分析,得出胶合木梁的破坏规律及其破坏形式。在胶合木梁即将破坏前,除能听到木材纤维细微的撕裂声之外,并无其他明显特征。由此可知,胶合木梁静力的破坏类型属于脆性破坏。试验梁的破坏位于木梁底部的纯弯段区,属于典型的受拉破坏。试验结果表明,胶合木梁在受力过程中可以分为两个阶段:弹性阶段和极为短暂的塑性阶段。受力过程中,试验梁基本处于弹性阶段。一旦进入塑性阶段,继续施加荷载,胶合木梁将迅速发生破坏。(2)通过控制预加载次数,对三根胶合木试验梁进行了变幅疲劳试验,得到胶合木梁预加载应力水平对试验梁疲劳寿命的影响规律。在低应力变幅加载下,胶合木梁随着加载次数的增多而出现刚度退化现象。试验梁F-1在低应力变幅预加载次数下加载200W次后虽未发生疲劳破坏,但其极限承载力比静载下抗弯强度值下降了 15.9%。试验结果表明,低应力变幅加载下也会使结构发生累积损伤,并随着预加载应力水平的提高,胶合木梁的疲劳寿命逐渐降低;二级加载下的应力水平越大,疲劳寿命降低越明显。(3)研究了胶合木梁变幅疲劳下不同预加载次数后其刚度退化规律及破坏形态。试验梁随着二级加载的应力水平逐渐增大,刚度退化也越明显;在二级变幅初期(循环加载20W次后),试验梁都出现了明显的刚度退化,根据幅值由小到大的加载20W次后,其损伤比分别为3.7%、5.7%、6.4%;随着加载次数的增多,胶合木梁二级加载后的刚度退化趋势逐渐平稳,F-2,F-3破坏时试验梁的刚度退化比分别为10.7%,9.8%。试验结果表明胶合木梁在变幅加载的初期有较大的损伤,二级加载的应力水平越大损伤越大;当胶合木梁刚度总损伤到达10%左右时,将发生疲劳破坏。胶合木梁的破坏形式为纯弯段区的局部剪切破坏和受拉破坏,随着二级加载的应力水平增大,局部剪切破坏的位置由中性轴向底板偏移。(4)基于试验结果和疲劳线性累积的计算方法,对修正Miner理论系数a在二级变幅疲劳下进行修正。计算结果表明:修正Miner理论系数a在0.59到0.73之间。(5)通过建立胶合木梁有限元模型,对数值计算与试验数据进行了对比分析;结果表明数值计算的疲劳寿命比试验结果偏大但误差在允许范围之内,可为胶合木梁疲劳寿命分析研究提供参考。

关键词：胶合木梁变幅疲劳刚度退化疲劳寿命有限元

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胶合木梁抗弯疲劳性能试验研究

胶合木梁抗弯疲劳性能试验研究

作者：蔡佳浓中南林业科技大学

学位级别：硕士

现代木结构在我国正处在起步阶段。目前对现代木结构进行的试验研究中,主要集中在静力试验研究,而动力性能方面尚有大量的研究工作有待进行。为了研究胶合木梁的动力性能,本文先后开展了胶合木梁的静力试验和疲劳试验。本文具体研究工... 详细信息

现代木结构在我国正处在起步阶段。目前对现代木结构进行的试验研究中,主要集中在静力试验研究,而动力性能方面尚有大量的研究工作有待进行。为了研究胶合木梁的动力性能,本文先后开展了胶合木梁的静力试验和疲劳试验。本文具体研究工作与成果如下：(1)对3根胶合木梁试件进行抗弯静力试验,分析了胶合木梁的破坏形态和受力机理,得出抗弯强度。胶合木梁破坏形式表现为受拉脆性破坏,受拉侧纤维断裂主要从纯弯段内木节等缺陷处展开,对此可以通过控制胶合木梁受拉侧单层板的质量,来提高胶合木梁的性能。胶合木梁受力过程分为弹性阶段和弹塑性阶段,以弹性阶段为主,弹塑性阶段持续时间较短暂。对6根试验梁(包括3根抗弯静力试件和3根抗弯疲劳试件)在弹性阶段下的荷载-挠度曲线进行线性拟合,分别求得其抗弯弹性模量和抗弯刚度值。(2)进行了3根胶合木梁试件的等幅疲劳试验,着重考察胶合木梁疲劳荷载上限和疲劳加载次数等因数对构件损伤的影响,分析了胶合木梁的疲劳破坏形态、疲劳后刚度的变化、疲劳对应变分布的影响以及疲劳后剩余承载力的退化等疲劳性能。试验研究结果表明：当疲劳上限为极限承载力(Pu)的65%时,疲劳循环加载到451600次,在纯弯段处发生整个横断面突然断裂的疲劳破坏,得出试件疲劳强度低于0.65Pu;当疲劳荷载上限达到一定值时,随着疲劳加载次数的增加,结构抗弯刚度下降,疲劳荷载上限值越大,刚度下降越快;胶合木梁受到疲劳损伤后,由于受压区木纤维提前屈服,导致跨中处应变分布表现为中性轴向受拉侧偏移;胶合木梁疲劳后的剩余承载力随疲劳荷载上限值的上升而下降,当疲劳荷载上限值为极限承载力的55%时,剩余承载力有一定下降。

关键词：现代木结构落叶松胶合木梁静力性能疲劳性能

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胶合木梁多级变幅疲劳性能试验研究

胶合木梁多级变幅疲劳性能试验研究

作者：祝彬中南林业科技大学

学位级别：硕士

随着我国森林资源逐渐恢复,木结构桥梁的应用也日益广泛。为了确保现代木结构桥梁在正常服役过程中其安全、强度、刚度能满足设计要求,研究胶合木梁的疲劳性能尤为重要。本文主要研究胶合木梁多级变幅疲劳性能,并针对其疲劳寿命预测、... 详细信息

随着我国森林资源逐渐恢复,木结构桥梁的应用也日益广泛。为了确保现代木结构桥梁在正常服役过程中其安全、强度、刚度能满足设计要求,研究胶合木梁的疲劳性能尤为重要。本文主要研究胶合木梁多级变幅疲劳性能,并针对其疲劳寿命预测、刚度退化方面建立理论模型。本文研究工作和成果如下:（1）胶合木梁疲劳累积损伤最先从受压侧展开,随着受压侧塑性区高度的增加,胶合木梁的受区截面高度减小,抗弯极限承载力降低,直至不能承受疲劳荷载而发生疲劳断裂。随着应力水平和应力幅值的增加,试验梁的强度和刚度也随之下降。因此无论是二级变幅或多级变幅,应力水平和应力幅由低到高加载时,往往实际寿命会大于预测寿命;反之,应力水平和应力幅由高到低加载时,实际寿命会小于预测寿命。（2）基于疲劳累计损伤准则,用Miner理论、修正Miner理论、Corten-Dolan理论分别对胶合木梁疲劳寿命进行预测。通过对比分析,修正Miner理论的疲劳寿命估算值NMHL估算精度最高。而且寿命估算值NMHL与试验值接近且基本上小于试验值。因此建议在实际工程运用中使用修正Miner理论进行相关构件的疲劳寿命预测。（3）利用挠曲线方程计算胶合木梁刚度,以刚度退化表征的损伤变量来建立刚度退化理论模型。胶合木梁刚度退化规律整体呈“S”型,并可分为三个退化阶段:起始阶段、适应阶段、破坏阶段。通过MATLAB对试验梁的刚度退化进行了非线性曲线拟合,并建立了胶合木梁的刚度退化计算公式。（4）运用ANSYS建立胶合木梁有限元模型,分别对静力、疲劳性能进行有限元分析。基于Corten-Dolan理论,推导出了等效等幅疲劳应力幅值法,采用该方法将多级变幅疲劳试验的载荷谱简化为等效等幅应力幅值。将等效应力幅值代入模型中得到有限元模拟寿命,并与Miner准则计算寿命、实际试验寿命作对比分析。通过对比发现,运用等效应力幅值法的有限元分析具备了较高的模拟精度,这使得有限元模型进行结构寿命评估更为可靠,更适用于工程应用。

关键词：胶合木梁变幅疲劳疲劳寿命预测刚度退化有限元分析

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胶合木梁节点竖向受力性能分析

胶合木梁节点竖向受力性能分析

作者：王凯长春工程学院

学位级别：硕士

木材是常用的建筑材料,我国古代曾使用该材料建造了无数辉煌的木结构建筑,近代随着钢筋混凝土结构的兴起,木结构建筑的建造越来越少。近年来,人们越来越注意到钢筋混凝土建筑在建造和使用过程中会造成巨大的资源浪费,并相继采取措施,例... 详细信息

木材是常用的建筑材料,我国古代曾使用该材料建造了无数辉煌的木结构建筑,近代随着钢筋混凝土结构的兴起,木结构建筑的建造越来越少。近年来,人们越来越注意到钢筋混凝土建筑在建造和使用过程中会造成巨大的资源浪费,并相继采取措施,例如大力提倡装配式钢筋混凝土结构以减少建造过程中建筑垃圾的产生和对环境的污染,随着社会的不断发展和人们生活水平的不断提高,人们对居住环境的要求日益增高,开始从最初的安全、适用、耐久等要求转变到健康、舒适、节能、环保等要求上来。木材作为一种轻质、高强、可再生、绿色环保且抗震性能优良的建筑材料再一次得到人们的重视,因此,研究木结构建筑对今后建筑的发展具有重要意义。木材是典型的非均质天然高分子复合工程材料,其力学性能除了受木材本身质量的影响,还与木材纹理的排列方向有直接关系,因此胶合木在进行组装的过程中,按照所承受的外力寻找合适的胶合木组合方式,可以在很大程度上提升胶合木结构的承载能力,从而拓展木结构建筑的应用领域。ABAQUS有限元软件可以对木材的各项性能进行模拟,通过建立胶合木有限元模型,进行胶合木结构受力状态的仿真模拟,了解不同胶合木结构在外部荷载作用下的受力性能。本论文采用木材力学性能试验研究和ABAQUS有限元仿真模拟相结合的方法,对胶合木梁竖向受力性能进行研究,其内容分为三部分:第一部分对木材力学性能进行试验研究,探究胶合木结构在抗拉、抗压时的应力-应变关系,推导胶合木构件在承受不同外力作用时木材纹路的排列方式。研究发现木材顺纹方向的抗拉性能优于横纹径向、弦向的抗拉性能,木材横纹径向抗压性能优于横纹弦向的抗压性能。因此胶合木梁在拼接时宜将顺纹方向沿梁的长度方向布置,而在胶合木梁制作过程中宜将承载能力较好的横纹径向沿胶合木梁的高度方向布置。第二部分将胶合木结构抗拉、抗压时的应力-应变关系导入胶合木梁ABAQUS有限元模型中,对节点部分进行拟合分析,并与哈尔滨工业大学的相关试验结果进行对比,发现两者均表现基本一致,在0kN—150kN时,施加荷载与胶合木梁的挠度变化基本呈线性关系,判断胶合木梁处于线弹性工作阶段;施加荷载在150kN—300kN时,随着施加荷载的增大,挠度变化速率开始明显超过荷载增加的速率,此时判断胶合木梁进入弹塑性工作阶段。研究发现,整个加载阶段ABAQUS有限元模型分析结果的挠度变化速率均大于哈尔滨工业大学第二工程质量检测站竖向承载能力试验检测结果,此现象在施加荷载超过150kN以后更为明显,施加荷载为300kN时,胶合木梁ABAQUS有限元模型挠度值比竖向承载能力试验检测结果挠度值增加了10%左右。第三部分将胶合木结构抗拉、抗压时的应力-应变关系导入长春市全民健身游泳馆大跨度胶合木结构屋顶梁节点模型及其优化模型中进行分析,并将优化模型节点分析结果与实际模型分析结果进行多方面对比,在竖向荷载作用下,纯木结构梁下侧受拉区的应力是最小的,螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁下侧受拉区的应力较纯木结构梁分别增大49.45%、19.92%;纯木结构梁的最大应变是最小的,螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁最大应变较纯木结构梁分别增大50.81%、23.77%;纯木结构梁的竖向位移是最大的,螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁竖向位移较纯木结构梁分别减小15.42%、27.97%。目前,螺栓钢节点胶合木梁已用于长春市全民健身游泳馆大跨度胶合木结构屋顶梁项目中,工字钢节点胶合木梁已形成专利,并得到国家专利局的授权。

关键词：胶合木梁节点竖向受力性能 ABAQUS有限元分析

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BFRP筋增强胶合木梁受力性能分析

中南林业科技大学学报 2019年第3期39卷 107-113页

作者：陈爱军贺国京蔡郭圣王解军彭容新中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004

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... 详细信息

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。

关键词：胶合木梁 BFRP筋增强胶合木梁抗弯刚度承载能力力学性能试验

新型自攻螺钉加固措施对胶合木梁受弯性能的影响

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东北林业大学学报 2020年第5期48卷 112-116,121页

作者：左宏亮刘翰然鲁建鑫东北林业大学土木工程学院哈尔滨150040 东北林业大学哈尔滨150040

以云杉-松木-冷杉胶合木板材(SPF板材)为试验梁原材料,采用一种新型自攻螺钉加固胶合木梁的新方法(从梁底部旋入新型自攻螺钉以实现对普通胶合木梁的加固)制作了24根2850 mm(长)×50 mm(宽)×150 mm(高)的胶合木梁,进行三分点受弯试验,... 详细信息

以云杉-松木-冷杉胶合木板材(SPF板材)为试验梁原材料,采用一种新型自攻螺钉加固胶合木梁的新方法(从梁底部旋入新型自攻螺钉以实现对普通胶合木梁的加固)制作了24根2850 mm(长)×50 mm(宽)×150 mm(高)的胶合木梁,进行三分点受弯试验,分析新型自攻螺钉不同的锚入深度、旋入角度和螺钉间距对胶合木梁受弯性能的影响。结果表明:新型自攻螺钉加固,可有效提高胶合木梁的极限承载能力,提高幅度在11.40%~71.40%不等,同时也可提高胶合木梁的刚度并减小跨中挠度变形,能够实现抑制和减缓胶合木梁脆性破坏。试验梁的承载能力与新型自攻螺钉锚入深度呈正相关,刚度随新型自攻螺钉锚入深度的增加呈现先增加后减小的趋势;新型自攻螺钉的螺钉间距对试验梁的极限承载能力影响不大,但对刚度有较大的影响,在螺钉间距大于1倍的梁高时,刚度与螺钉间距呈负相关;45°旋钉加固梁的极限承载能力优于垂直旋钉加固梁,同时其刚度更好,可更好地抑制和减缓试验梁的脆性破坏。推荐加固方式:梁底45°旋钉,垂直锚入深度为2/3倍的梁高,螺钉间距为1倍梁高。

关键词：胶合木胶合木梁受弯性能新型自攻螺钉

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FRP增强胶合木梁弯曲蠕变性能研究

建筑结构 2011年第S2期41卷 463-465页

作者：宋二玮陆伟东岳孔南京工业大学土木工程学院南京211816

对采用环氧树脂粘合FRP板增强胶合木梁的蠕变性能进行了分析研究。首先对FRP板增强胶合木梁进行了短期荷载分析,得到了初始应变和初始曲率。再根据胶合木、FRP材料的蠕变本构关系,结合Bresler和Selna提出的应力松弛分析方法,进行了蠕变... 详细信息

对采用环氧树脂粘合FRP板增强胶合木梁的蠕变性能进行了分析研究。首先对FRP板增强胶合木梁进行了短期荷载分析,得到了初始应变和初始曲率。再根据胶合木、FRP材料的蠕变本构关系,结合Bresler和Selna提出的应力松弛分析方法,进行了蠕变分析,得到了恒温恒湿的条件下胶合木梁横截面的应力、应变随时间变化的函数。分析结果可用于胶合木梁长期荷载作用下弯曲性能的计算和设计。

关键词：胶合木梁 FRP增强蠕变

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尺寸效应对配筋胶合木梁受弯性能的影响

东北林业大学学报 2019年第8期47卷 62-65页

作者：左宏亮李熠诗付丁虬郭楠东北林业大学

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... 详细信息

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。

关键词：胶合木梁受弯性能尺寸效应

依据木材本构关系的胶合木梁抗剪性能数值模拟方法

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东北林业大学学报 2020年第12期48卷 103-105,117页

作者：杨海旭石明王海飙李卓东北林业大学土木工程学院哈尔滨150040 东北林业大学哈尔滨150040

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... 详细信息

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。

关键词：胶合木梁抗剪性能有限元模拟五点弯曲法