濕度變化和荷載作用下膠合木曲梁的工作性能研究.pdf

1、膠合木（Glulam）是一種最常見(jiàn)的工程木產(chǎn)品（Engineered Wood Product），既保留了木材的天然紋理又具有良好的力學(xué)性能，因此廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑中，且往往采用弧形受彎構(gòu)件的形式（曲梁）。由于木材的橫紋抗拉強(qiáng)度很低，膠合木曲梁在荷載作用下產(chǎn)生的橫紋拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致橫紋受拉破壞。在正常使用過(guò)程中，膠合木構(gòu)件周圍環(huán)境空氣相對(duì)濕度會(huì)因氣候變化和人類活動(dòng)等影響而變化，吸濕和解吸過(guò)程使膠合木構(gòu)件內(nèi)部含水率不均勻分布導(dǎo)致梁內(nèi)各點(diǎn)干縮

2、濕脹變形不同，從而產(chǎn)生濕度應(yīng)力。當(dāng)膠合木曲梁受荷載和濕度變化的共同作用時(shí)，荷載產(chǎn)生的橫紋拉應(yīng)力與濕度橫紋拉應(yīng)力疊加，會(huì)降低膠合木曲梁的承載力。因此，開(kāi)展?jié)穸茸兓秃奢d共同作用下膠合木曲梁的長(zhǎng)期性能研究具有理論意義與實(shí)用價(jià)值。
　　本文先對(duì)足尺東北落葉松膠合木曲梁進(jìn)行了三分點(diǎn)加載抗彎試驗(yàn)，驗(yàn)證了膠合木曲梁發(fā)生橫紋受拉脆性破壞的破壞模式，并獲得了由該破壞模式?jīng)Q定的膠合木曲梁短期承載力，為長(zhǎng)期承載試驗(yàn)提供了依據(jù)。然后在人工氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)開(kāi)

3、展了膠合木曲梁環(huán)境濕度變化和荷載聯(lián)合作用下的長(zhǎng)期承載試驗(yàn)Ⅰ和長(zhǎng)期承載試驗(yàn)Ⅱ，試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境濕度變化引起的濕度應(yīng)力與荷載應(yīng)力疊加造成曲梁長(zhǎng)期承載力下降明顯。為獲得有限元分析所需的材料參數(shù)，還開(kāi)展了東北落葉松木材的Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌性試驗(yàn)和橫紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪強(qiáng)度及彈性常數(shù)試驗(yàn)。
　　建立了考慮木材熱脹冷縮、濕脹干縮、粘彈性蠕變、機(jī)械吸附蠕變、破壞模式、各向異性損傷和荷載持續(xù)時(shí)間效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型。采用簡(jiǎn)化的Luiko

4、v傳熱模型和Fick第二定律分別建立了溫度和水分傳輸方程。采用Kelvin鏈模型描述木材的粘彈性蠕變，并采用與含水率變化率相關(guān)的機(jī)械吸附柔度矩陣來(lái)描述木材機(jī)械吸附蠕變。在木材三個(gè)材料主方向上建立了相互獨(dú)立的強(qiáng)度準(zhǔn)則，并引入9個(gè)損傷因子來(lái)描述木材的應(yīng)變軟化，從而實(shí)現(xiàn)了木材受拉或受剪發(fā)生脆性斷裂、受壓發(fā)生塑性變形的模擬。利用Fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了用戶材料子程序 UMAT，實(shí)現(xiàn)了所建立的木材本構(gòu)關(guān)系模型在有限元軟件 ABAQUS中的嵌入。<

5、br>　　采用ABAQUS建立了膠合木曲梁有限元模型，計(jì)算分析了膠合木曲梁短期承載力試驗(yàn)和長(zhǎng)期承載試驗(yàn)，揭示了在試驗(yàn)的溫、濕度條件下，濕度應(yīng)力的幅值及分布規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了荷載和環(huán)境濕度變化共同作用下膠合木曲梁橫紋受拉破壞的模擬并較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了破壞發(fā)生的時(shí)間。還基于線彈性斷裂力學(xué)理論，建立了木材的開(kāi)裂準(zhǔn)則和裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，采用擴(kuò)展有限元法（Extended Finite Element Method）模擬了膠合木曲梁在荷載作用下橫紋受拉破壞時(shí)

6、裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程。
　　提出采用濕度橫紋應(yīng)力積分來(lái)綜合度量濕度橫紋應(yīng)力的大小和作用范圍。以含水率影響深度來(lái)表示環(huán)境相對(duì)濕度變化導(dǎo)致梁內(nèi)含水率劇烈變化的影響范圍和含水率波動(dòng)的衰減。通過(guò)有限元參數(shù)分析研究了膠合木曲梁橫截面寬度、相對(duì)濕度變化周期、幅值和循環(huán)次數(shù)對(duì)濕度橫紋應(yīng)力的影響規(guī)律。提出了等效濕度橫紋應(yīng)力的概念，并提出了濕度橫紋應(yīng)力與荷載產(chǎn)生的橫紋應(yīng)力疊加的簡(jiǎn)化方法判斷荷載和濕度變化共同作用下膠合木曲梁是否橫紋受拉破壞的方法。分