木結(jié)構(gòu)建筑用木質(zhì)工字梁整體靜態(tài)彎曲性能的研究和設(shè)計(jì).pdf

1、我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑用實(shí)木梁多以優(yōu)質(zhì)原木為原料，然而，隨著我國天然林保護(hù)工程的深入實(shí)施，這種優(yōu)質(zhì)原木已近乎斷源；另一方面，目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)速生林木又難以滿足建筑承重梁用材的要求。因此開展以木質(zhì)工字梁（Prefabricatedwood I-joist，簡稱：IJ）為代表的新型木結(jié)構(gòu)建筑材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文圍繞IJ靜態(tài)彎曲性能設(shè)計(jì)依據(jù)、IJ靜態(tài)彎曲性能設(shè)計(jì)計(jì)算理論、不同腹板IJ的靜態(tài)彎曲性能及其與

2、實(shí)木梁的對比、局部加固與IJ靜態(tài)彎曲性能的關(guān)系、IJ的靜態(tài)蠕變性能五個(gè)方面展開研究，并通過IJ靜態(tài)力學(xué)性能的設(shè)計(jì)實(shí)例對上述研究成果做出了驗(yàn)證。
　　 為了獲得正確的設(shè)計(jì)依據(jù)，針對尚處起步階段的我國木結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范和木質(zhì)建筑用材標(biāo)準(zhǔn)的不完備性，通過理論分析并對我國及北美木結(jié)構(gòu)建筑和IJ相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的分析研究，確定了：1）樓面托梁用木質(zhì)工字梁的設(shè)計(jì)荷載為2.5KN/㎡（=活荷載+死荷載=2.0+0.5 KN/㎡）；2）本研究IJ的建筑

3、結(jié)構(gòu)尺寸：梁長為4，500mm，梁間距為490mm，梁高為241mm；3）本研究IJ的樓面托梁撓度限值為梁長l的1/250；4）顯著影響IJ整梁靜態(tài)彎曲性能的翼緣的順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值調(diào)整系數(shù)：方程精確性影響系數(shù)Kp=1，尺寸誤差影響系數(shù)KA=0.96，尺寸影響系數(shù)KQ4=0.75，長期受荷強(qiáng)度折減系數(shù)KQ3=0.72，天然干燥缺陷影響系數(shù)KQ2=0.85，抗力分項(xiàng)系數(shù)γR=1.95。
　　 由于IJ的材性和結(jié)構(gòu)與鋼質(zhì)工字梁有著極

4、大差異，因此需要探求IJ靜態(tài)彎曲性能的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。通過對簡支IJ靜態(tài)彎曲力系的分析和對按上述規(guī)范或預(yù)期目標(biāo)自制的IJ靜態(tài)彎曲性能的檢測，通過對檢測結(jié)果與按材料力學(xué)中梁的經(jīng)典彎曲理論計(jì)算而來的理論曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)IJ正應(yīng)力實(shí)測值與理論計(jì)算值的擬合度為R2=0.99，IJ撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值的擬合度為R2=0.99；從而認(rèn)定：鋼質(zhì)工字梁的正應(yīng)力和撓度等靜態(tài)彎曲性能理論計(jì)算方法可直接應(yīng)用于IJ彈性范圍內(nèi)整梁靜態(tài)彎曲性能的計(jì)算和分析，

5、澄清了本領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工程界對“IJ力學(xué)性能的設(shè)計(jì)計(jì)算不能以鋼質(zhì)工字梁理論為依據(jù)”的片面認(rèn)識(shí)，同時(shí)為本研究的后續(xù)工作奠定了前提性基礎(chǔ)。
　　 為了探知以包括非定向竹大片刨花板（BW）在內(nèi)的各種承重性竹/木質(zhì)板材為腹板的IJ對承重性實(shí)木梁的可取代性，本文通過對比試驗(yàn)，確認(rèn)以BW、膠合板（S-Ply）和木定向刨花板（OSB）為腹板的IJ的靜態(tài)彎曲性能優(yōu)于承重性云南松實(shí)木梁，其平均破壞荷載比云南松實(shí)木梁大60.0％，而平均撓度僅為云南松

6、實(shí)木梁的35.7％；同時(shí)確認(rèn)BW、S-Ply和OSB對IJ整梁靜態(tài)彎曲性能的影響無顯著差異，均可作為IJ腹板的理想選材。
　　 根據(jù)本文第2章“BW-IJ的兩個(gè)端頭是IJ的危險(xiǎn)力學(xué)區(qū)域”的研究結(jié)果，本文探索了IJ端頭的綴板加固形式及其對IJ靜態(tài)彎曲性能的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：1）無論剪切測試還是大跨度彎曲測試，端頭綴板的加入未改變IJ的“荷載-撓度”的正相關(guān)關(guān)系；2）在剪切測試條件下，綴板的加入顯著降低了由腹板剪切變形引起的撓度，其在

7、1～3KN靜彎曲荷載范圍內(nèi)的降幅為30％左右，5～7KN范圍內(nèi)的降幅為15％左右；3）在大跨度彎曲測試條件下，綴板的加入對改善整梁靜態(tài)彎曲性能的貢獻(xiàn)并不顯著，其撓度的平均降幅不足10％。
　　 為了獲得IJ靜態(tài)彎曲性能的持續(xù)性，本文取昆明1-3月份的室內(nèi)環(huán)境為自然條件，取美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6815和ASTM D5055中IJ蠕變測試方法，對IJ的靜態(tài)蠕變性能做出了研究，結(jié)論表明：1）IJ的自然蠕變規(guī)律與實(shí)木的蠕變規(guī)律相似，木質(zhì)

8、工字梁自然蠕變的彈性恢復(fù)部分約占總形變量的75％，不可恢復(fù)部分約占總形變量的14％；2）在環(huán)境濕度交替變化情況下，IJ與實(shí)木一樣存在著占總?cè)渥兞枯^大比重的機(jī)械吸附蠕變；3）IJ的普通蠕變量與其含水率呈正相關(guān)關(guān)系，IJ的機(jī)械吸附蠕變量與其含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；4）發(fā)生過自然蠕變但已經(jīng)恢復(fù)的IJ的靜態(tài)彎曲性能與蠕變前無顯著差異；5）加速蠕變測試方法和結(jié)果可用以衡量IJ靜態(tài)彎曲性能的持續(xù)性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)：1）前人將機(jī)械吸附蠕變作為IJ普通蠕變中黏彈

9、性和塑性變形的增量的假設(shè)學(xué)說值得深入商榷；2）經(jīng)典的Burger模型不一定適用于自然條件下IJ蠕變規(guī)律的模擬和研究。
　　 以上述研究成果為依據(jù)，取以100E級(jí)意楊LVL為翼緣、以云南綠特竹制品廠生產(chǎn)的非定向竹大片刨花板為腹板的BW-IJ的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值為：跨距4380mm、梁間距490mm，取許用均布荷載的設(shè)計(jì)值為2.5KN/㎡，許用梁撓度限值為l/250；則BW-IJ的截面尺寸設(shè)計(jì)值為：梁高241mm、梁（LVL翼緣）寬50