【摘要】：木材特有的吸濕性,使得木結(jié)構(gòu)的受力性能受環(huán)境溫濕度的影響非常明顯;又因其具有各向異性特征,弦、徑向干縮率不同,極易產(chǎn)生干縮裂縫,對木結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生較大影響。本文在總結(jié)現(xiàn)有的研究成果的基礎(chǔ)上,對干縮裂縫發(fā)展規(guī)律進行了深入研究。本文對兩組不同直徑的原木構(gòu)件,在兩種不同環(huán)境(恒溫恒濕、恒溫濕度循環(huán))下進行了干縮裂縫開展試驗研究。試驗結(jié)果表明:原木構(gòu)件在恒溫恒濕階段的含水率沿徑向呈二次函數(shù)分布、隨解濕時間呈指數(shù)下降;在濕度循環(huán)階段,含水率隨環(huán)境濕度呈現(xiàn)周期性變化,內(nèi)層有滯后現(xiàn)象,尺寸越大,滯后越明顯;木構(gòu)件在濕度變化下的裂縫基本為TR型裂縫,與時間呈線性開展,對于同一試件的多條裂縫,裂縫開展速率幾乎一致;試件尺寸越大裂縫條數(shù)越多,裂縫開展速率越慢,最終裂縫深度越小�；谠囼灲Y(jié)果和菲克第二定律,通過理論分析得到木材水分遷移控制方程。在有限元分析軟件ABAQUS中,利用濕度場與溫度場控制方程的相似性,用熱傳導(dǎo)模塊模擬木構(gòu)件水分傳遞,建立濕度場模型,有限元模擬結(jié)果與試驗值吻合較好,解決了現(xiàn)有軟件無法直接進行濕度擴散分析的問題。對試驗非理想化的初始含水率和濕度條件進行了修正,結(jié)果表明:木構(gòu)件各層含水率在解濕階段隨時間呈指數(shù)下降,表層變化速率在前期大于芯層,在后期小于芯層。構(gòu)件尺寸對含水率下降速率影響較大,尺寸越大,表層含水率變化速度越快,而芯層則相反;相同條件下,小尺寸構(gòu)件先到達平衡含水率。通過對濕度循環(huán)參數(shù)(次數(shù)、周期、幅值)的有限元數(shù)值分析,計算表明:溫度、初始含水率和試件尺寸相同時,試件達到平衡含水率的時間與循環(huán)次數(shù)、周期和幅值無關(guān)。含水率梯度和滯后時間與循環(huán)次數(shù)、周期和幅值有關(guān):解濕結(jié)束時的含水率梯度隨著循環(huán)次數(shù)增加而減小,吸濕結(jié)束時的含水率梯度隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大,含水率到達穩(wěn)定時兩者一致;濕度幅值越大,最大含水率梯度越大和穩(wěn)定狀態(tài)時的含水率梯度最大;濕度周期越大,含水率梯度也越大,含水率滯后時間越短。在此濕度場模型基礎(chǔ)上,通過順序耦合,計算濕度應(yīng)力。再通過理論分析得到裂縫開裂準則和開展準則,結(jié)合擴展有限元(XFEM),建立了干縮裂縫開展模型,該模型計算結(jié)果與試驗吻合較好,能夠充分模擬木構(gòu)件在濕度變化下的裂縫開展情況。模型計算結(jié)果表明:裂縫在達到髓心區(qū)域之前,呈線性增長;多裂縫的裂縫開展速率基本一致;裂縫條數(shù)越多,開展越慢,最終深度越小;在循環(huán)濕度作用下,裂縫總體呈線性增長,且裂縫的開展總是發(fā)生在解濕階段。以南京地區(qū)近三十年來的月平均氣候為參數(shù),用有限元成功模擬出不同初始含水率的木構(gòu)件在氣干狀態(tài)下的裂縫開展情況,結(jié)果表明:裂縫隨時間呈線性開展,初始含水率的不同對裂縫開展速率有較大影響:對于初始含水率為25%的木構(gòu)件,在未進行防裂措施的情況下,裂縫相對深度開展速率為0.0622/月,氣干八個半月后裂縫已達到直徑的1/3;而初始含水率為15%的構(gòu)件,在氣干狀態(tài)下不會開裂。運用同樣的方法,可以得到其它氣候條件下干縮裂縫的發(fā)展速率。這為今后研究木構(gòu)件在溫濕度與荷載耦合作用的受力情況與裂縫開展情況,以及相應(yīng)的耐久性評定提供了基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU366.2
【圖文】：

這也是木結(jié)構(gòu)維修加固中面臨的很大問題。木結(jié)構(gòu)建筑常見的破壞方式有開裂、腐朽、變形過大、拔榫等。干縮裂縫是影響木結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一�！豆沤ㄖ窘Y(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范》[1]對承重木構(gòu)件的裂縫深度做出了限值規(guī)定，當歷史建筑木結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的裂縫深度超過相應(yīng)限值時，就必須予以加固甚至更換。《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]也通過規(guī)定木構(gòu)件的材質(zhì)等級來限制開裂對木構(gòu)件的不利影響�？梢�，裂縫的存在對于木構(gòu)件的承載力有著重大的影響，不可忽視。作為一種吸濕性材料，木材的力學性能受環(huán)境濕度的影響非常明顯。當周圍環(huán)境濕度變化時，木材中的含水率也會不均勻變化，且由于其內(nèi)部各處對外界環(huán)境的響應(yīng)程度不同，使得截面內(nèi)形成含水率梯度；又由于其徑向和切向干縮率的差異，從而產(chǎn)生了濕度應(yīng)力。當濕度應(yīng)力達到一定水平時，可能產(chǎn)生干縮裂縫，對木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用產(chǎn)生不利影響。尤其是在環(huán)境溫濕度變化的長期作用下，干縮裂縫隨著時間的推移不斷加深變寬，會產(chǎn)生更為嚴重的后果。干縮裂縫不僅對結(jié)構(gòu)的外觀造成一定的影響，而且達到一定深度后會引起木構(gòu)件順紋抗剪承載力的降低，成為構(gòu)件以及整個結(jié)構(gòu)安全性能的隱患，試驗表明[3]，干縮裂縫的存在對木構(gòu)件抗彎承載力有顯著影響，這也是長期暴露在自然環(huán)境中的木結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。又因為有開裂面，木構(gòu)件內(nèi)部更加容易受到水分及生物的侵蝕，降低其耐久性。使用多年的木結(jié)構(gòu)建筑中普遍存在裂縫，如北京故宮、山西應(yīng)縣木塔、福州三坊七巷等。

圖 1-2 技術(shù)路線圖體研究以下內(nèi)容：1）為探究木構(gòu)件在濕度變化下裂縫的開展情況，通過室內(nèi)加速試驗，讓 2 組（每組的杉木原木在恒溫恒濕及恒溫、變濕度的環(huán)境條件下進行吸濕和解濕，在選定的時率分布和裂縫深度。以研究不同尺寸木構(gòu)件含水率在截面的分布及隨時間的變化和2）進行材料力學性能試驗，根據(jù)木材材性試驗方法測定木材各項力學指標，如抗拉、抗壓彈性模量、干縮濕脹系數(shù)等，并對橫紋弦向抗拉強度與含水率的關(guān)系式的適為后續(xù)有限元模擬提供材料參數(shù)。3）用 ABAQUS 有限元軟件建立木構(gòu)件隨環(huán)境濕度變化的濕度場，并與試驗結(jié)果進同循環(huán)條件（循環(huán)次數(shù)、濕度幅值、周期）下，含水率沿截面分布及隨時間發(fā)展規(guī)在南京地區(qū)氣候條件下含水率變化情況。4）建立一個包括干縮系數(shù)、擴散系數(shù)、彈性參數(shù)，與濕度相關(guān)的各向異性材料模型計算濕度應(yīng)力，并結(jié)合擴展有限元法（XFEM）模擬木構(gòu)件裂縫開展，將有限元計算與試驗測量值進行對比，并探討循環(huán)濕度、氣干狀態(tài)下裂縫的開展規(guī)律。

如圖2-1 所示。木材的強度根據(jù)紋理方向和斷面方向而異，順紋方向上的強度最高，橫紋方向強度最低，斜紋方向強度介于兩者之間。(a) 宏觀結(jié)構(gòu) (b)三向正交各向異性圖 2-1 典型的木材構(gòu)造結(jié)構(gòu)木材在上述三個方向上的異向性不僅表現(xiàn)在力學性質(zhì)方面，還表現(xiàn)在其他物理性質(zhì)比如干縮濕脹、水分擴散等方面。2.1.2 幾個基本參數(shù)（1）含水率木材含水率是木材所含水分與木材質(zhì)量之比，通常用來描述木材中的水分變化。在木材學和工業(yè)生產(chǎn)中，木材含水率通常用絕對含水率表示，計算公式為：w 00100%m mWm (2-1)式中，W 是絕對含水率（%），mw是含水率測定時的質(zhì)量，m0是絕干試樣的質(zhì)量。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號：2791640