【摘要】：隨著世界人口增加和建筑業(yè)的發(fā)展，建筑業(yè)能源與材料的需求也日益增大，建筑業(yè)對自然環(huán)境的直接或間接破壞已成為人類對自然環(huán)境的損害的重要因素。竹材作為一種新型建筑材料，在一些建筑結(jié)構(gòu)中逐漸成為混凝土、磚、鋼材等傳統(tǒng)建筑材料的替代材料。根據(jù)多孔介質(zhì)的定義及其結(jié)構(gòu)具有的固體骨架和孔隙空隙特點(diǎn)，建筑中使用的竹材屬于典型的多孔介質(zhì)材料。當(dāng)環(huán)境溫、濕度變化時，竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)熱濕傳遞使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱脹冷縮變形和濕脹干縮變形，當(dāng)這種變形受到約束在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生熱濕應(yīng)力。影響竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力的溫度與濕度雖然在竹材內(nèi)傳遞的作用機(jī)理不同，但對竹材結(jié)構(gòu)的伸縮變化具有相同的結(jié)果。因此，對竹材結(jié)構(gòu)的熱濕應(yīng)力問題展開研究，開發(fā)和應(yīng)用新型竹材，減少以及防止熱濕應(yīng)力對建筑的破壞是當(dāng)今建筑節(jié)能中的一項(xiàng)重要工作。然而，在建筑結(jié)構(gòu)熱、濕應(yīng)力的研究中，通常分析熱應(yīng)力的影響，對熱濕耦合作用下的熱濕應(yīng)力的研究較少，沒有考慮溫度場與濕度場對熱應(yīng)力與濕應(yīng)力的相互影響。由于缺乏多孔介質(zhì)材料的濕脹干縮性能參數(shù)，特別是材料的濕膨脹系數(shù)，工程設(shè)計中還缺乏相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和可靠的參考數(shù)據(jù)。因此，本文從竹材的多孔介質(zhì)特性、竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱濕耦合傳輸入手，以竹集成板、竹篾膠合板、竹筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)等為主要研究對象，揭示熱濕環(huán)境下溫度、濕度、材料熱濕膨脹特性對竹材的熱工特性和熱濕應(yīng)力變化規(guī)律，為竹材等多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)。本文的研究工作和成果主要包括： (1)詳細(xì)介紹了竹材的多孔介質(zhì)特點(diǎn)、竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱、濕變化原因和熱、濕傳遞機(jī)理，重點(diǎn)闡述了竹材在熱濕耦合作用下的熱濕變形機(jī)理與熱濕應(yīng)力特性，提出了多孔介質(zhì)濕應(yīng)力基本概念，介紹了多孔介質(zhì)濕應(yīng)力的數(shù)學(xué)微分方程及其物理意義，為后續(xù)章節(jié)的熱濕應(yīng)力分析闡明了理論基礎(chǔ)。 (2)通過對多孔介質(zhì)宏觀結(jié)構(gòu)的假設(shè)，以單位長度微元體為對象，分析了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞中的熱濕彈性行為，闡明了竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)變與應(yīng)力的分析方法，建立了熱濕應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步以竹材結(jié)構(gòu)墻體為研究對象，分析了墻體熱濕應(yīng)變與熱濕應(yīng)力的變化特性。闡明了竹材結(jié)構(gòu)墻體熱濕應(yīng)力變化的影響因素，指出溫度與含濕量變化是影響熱濕應(yīng)力變化的最重要因素。 (3)闡述了影響竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力的孔隙率、有效導(dǎo)熱系數(shù)、熱濕膨脹系數(shù)等基本物理力學(xué)性能參數(shù)。采用吸滲法測試了建筑竹材的有效孔隙率，指出常溫下竹材試件的有效孔隙率為32.1%~33.7%。提出了竹材濕膨脹系數(shù)的概念，采用電阻應(yīng)變法測試了建筑竹材的熱膨脹系數(shù)和濕膨脹系數(shù)，指出竹材試件的熱膨脹系數(shù)為縱向9.67×10-6℃-1、橫向22.30×10-6℃-1，濕膨脹系數(shù)為橫向55.28×10-6m/(m·%)、縱向11.64×10-6m/(m·%)，橫向熱膨脹系數(shù)為縱向的2.31倍，橫向濕膨脹系數(shù)為縱向的4.75倍。分析了竹材含濕量變化對有效導(dǎo)熱系數(shù)、有效比熱容、溫度波延時系數(shù)等竹材結(jié)構(gòu)墻體熱工性能參數(shù)的影響，進(jìn)一步分析了含濕總量變化與墻體總熱阻的關(guān)系，為竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力分析提供了基本的物理力學(xué)性能數(shù)據(jù)。同時，采用電阻應(yīng)變法測試竹材濕膨脹系數(shù)，為多孔介質(zhì)材料濕膨脹系數(shù)的測試方法提供了參考。 (4)分析了一維穩(wěn)態(tài)熱濕傳遞工況下竹材結(jié)構(gòu)墻體的熱濕應(yīng)變變化特性，闡明了伸縮熱濕應(yīng)力與彎曲熱濕應(yīng)力的計算方法。建立了墻體穩(wěn)態(tài)熱濕應(yīng)變與應(yīng)力的微分方程，指出墻體產(chǎn)生的熱濕應(yīng)力為其自由膨脹計算值與測試值之差。以竹篾膠合板材墻體為研究對象分別對墻體的熱應(yīng)變特性、濕應(yīng)變特性、熱濕應(yīng)變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了墻體溫度變化和含濕量變化時熱濕應(yīng)力的變化規(guī)律，指出墻體內(nèi)熱應(yīng)變與濕應(yīng)變具有疊加的作用效果，為新型竹材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)熱濕應(yīng)力設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。 (5)分析了一維瞬態(tài)熱濕傳遞工況下竹材結(jié)構(gòu)墻體的伸縮熱濕應(yīng)力與彎曲熱濕應(yīng)力變化特性，建立了熱濕應(yīng)力與墻體厚度方向溫濕度梯度關(guān)系的微分方程和熱濕應(yīng)力隨時間變化關(guān)系的微分方程，闡述了影響竹材結(jié)構(gòu)墻體瞬態(tài)熱濕應(yīng)力的影響因素，指出墻體內(nèi)溫度、濕度、溫度梯度、濕度梯度是影響其熱濕應(yīng)力變化的主要原因。以竹集成板材為研究對象，分別在加熱升溫、高溫墻體快速加濕、高含濕量墻體快速加熱等典型瞬態(tài)熱濕工況下對墻體的熱濕應(yīng)變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以竹篾膠合板材為研究對象，在自然熱濕環(huán)境下對墻體的熱濕應(yīng)變進(jìn)行了連續(xù)實(shí)驗(yàn)測試與研究，分析了瞬態(tài)工況下墻體的熱濕應(yīng)力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明瞬態(tài)熱濕工況下墻體的熱濕應(yīng)力變化是一個復(fù)雜和多變的變化過程，對新型竹材結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)熱濕應(yīng)力利用或防止應(yīng)力發(fā)生具有指導(dǎo)意義。 (6)分析了竹筋與混凝土界面的熱濕應(yīng)力變化特性，闡明了竹筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中兩種材料界面接觸力、界面正向應(yīng)力、界面切應(yīng)力、軸向正應(yīng)力等應(yīng)力的計算方法。對常溫下水泥砂漿的濕膨脹特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，指出水泥砂漿的濕膨脹系數(shù)與含濕量基本呈線性關(guān)系變化。進(jìn)一步以單根竹筋的圓柱形竹筋混凝土構(gòu)件為研究對象，分析了竹筋混凝土溫濕度變化時對界面熱濕應(yīng)力、軸向熱濕應(yīng)力變化的影響，闡述了竹筋混凝土結(jié)構(gòu)失效的重要原因，為竹筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用管理提供了參考。
【圖文】：

成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，從而限制了竹材在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。自上世紀(jì)竹膠合板的研制與應(yīng)用，使竹材在建筑中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展�，F(xiàn)根據(jù)不同的需求，主要分為3 類[9]：一是廉價實(shí)用房屋，主要是為了區(qū)的居住問題，這類住宅建筑對技術(shù)的要求低，如東南亞的大部分地一些國家的竹制房屋；二是臨時性建筑，如用于臨時展覽或休憩用的筑要求建造快捷、拆裝方便、且造型精美漢諾威世博會的ZERI廳；三的別墅等，這類建筑構(gòu)件精致考究，造價較高，隨著竹加工技術(shù)的發(fā)品質(zhì)的竹子建筑的發(fā)展空間很大。近年來，建筑竹材工業(yè)的主要產(chǎn)品板、竹材層積板、竹材旋切板、竹貼面裝飾板、竹地板、竹蔑層壓板板等。竹材在建筑業(yè)中的應(yīng)用也遍及梁、墻、柱、櫞、竹混結(jié)構(gòu)以及等[10-13]。在國際竹藤組織等機(jī)構(gòu)的技術(shù)支持下，2004年在云南屏邊建屋架、屋頂板和內(nèi)外墻均為竹集成材和竹膠合板組成的竹材結(jié)構(gòu)校舍區(qū)也常應(yīng)用具有有效抗震作用和房屋重復(fù)搭建功能的整體竹材結(jié)構(gòu)快屋。竹材作為一種新型建筑材料，在某些建筑結(jié)構(gòu)中逐漸成為混凝土木材等傳統(tǒng)建筑材料的替代材料。

博士學(xué)位論文e)均應(yīng)有固相基質(zhì)，多孔介質(zhì)的一項(xiàng)重要特點(diǎn)是空隙尺寸極其微小，孔隙中流體的行為由此而受構(gòu)成孔隙空間的孔洞是連通的，互相連通的孔隙于流體通過多孔介質(zhì)的流動來說，不連通的孔隙介質(zhì)的定義和特點(diǎn)可以看出，大部分建筑材料，溫材料、木材、竹材等都屬于多孔介質(zhì)材料，這通的孔隙和具有很大的比表面積[86]�？捉橘|(zhì)結(jié)構(gòu)具有高度不均勻性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣、液、固（如圖 2.1 所示）。其基本結(jié)構(gòu)由固相（表皮系統(tǒng)水）和氣相（空氣或氣體混合物）組成。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU366.1;TU111

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2607996