【摘要】：膠合木是一種融入了現(xiàn)代加工技術(shù)且強質(zhì)比高、環(huán)保美觀的工程復(fù)合木,也是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑材料,現(xiàn)已因其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。隨著人們生活水平提高、環(huán)境日益惡化,我國正實施“低碳環(huán)保、節(jié)能減排”的政策,大力提倡發(fā)展綠色建材,化解過剩產(chǎn)能,促進木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級,而膠合木的制造及應(yīng)用將有助于解決目前的現(xiàn)狀。然而,我國對膠合木的研究及應(yīng)用起步較晚,落葉松膠合木構(gòu)件的力學(xué)性能仍是一片盲區(qū),相關(guān)的制造及設(shè)計規(guī)范仍不完善。為了推廣落葉松膠合木在我國的應(yīng)用,本文首先研究了膠合木制造工藝及彈性模量評估方法,對落葉松膠合木梁開展了受彎性能、疲勞性能、剪切性能及蠕變性能研究,主要的研究工作和成果包括以下幾方面。1、針對國內(nèi)落葉松膠合木構(gòu)件制造及應(yīng)用現(xiàn)狀,從落葉松層板的選擇、指接工藝、組坯工藝及膠合工藝4個方面探討了膠合木制造的關(guān)鍵技術(shù),確定了各環(huán)節(jié)的制造工藝參數(shù),并介紹了膠合木的質(zhì)量控制及檢驗要點,為膠合木的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。開展了落葉松清材小試件的受壓、受彎、剪切、受拉試驗,分別分析了其破壞形態(tài),得到了落葉松清材的順紋抗壓強度、抗彎強度、順紋剪切強度、順紋抗拉強度2、為了確保膠合木的加工質(zhì)量,采用超聲波法、應(yīng)力波法、橫向振動法3種無損檢測方法測試了膠合木梁的動彈性模量,并與靜彈性模量進行對比分析,試驗結(jié)果表明:3種無損檢測方法測試的動彈性模量均大于其靜彈性模量,其大小順序依次為:EuEsWEtEst。通過對靜、動彈性模量的線性回歸分析可知,兩者之間具有較為顯著的線性相關(guān)性。橫向振動法所測結(jié)果呈現(xiàn)的相關(guān)性最高,誤差最小,是最準確且最好的一種方法,可以用來預(yù)測評價膠合木梁的彈性模量。3、對四組不同尺寸的膠合木梁開展了抗彎性能試驗,探討了膠合木梁的破壞形態(tài)及破壞機理,對膠合木梁的受力全過程進行了系統(tǒng)分析,研究了落葉松膠合木梁的抗彎強度尺寸效應(yīng)、延性、撓度及抗彎承載力。試驗結(jié)果表明:隨著尺寸的增大,膠合木梁的抗彎強度逐漸降低,具有明顯的尺寸效應(yīng)。基于Weibull脆性斷裂理論,建立了兩參數(shù)的Weibull模型,利用斜率法得到了落葉松膠合木梁長度與高度的組合尺寸效應(yīng)系數(shù)為0.275;提出了一個基于應(yīng)變的延性系數(shù)計算方法,并在此基礎(chǔ)上得到了改進的撓度計算公式;結(jié)合膠合木柱的抗壓試驗,提出了一個彈塑性的拉壓本構(gòu)關(guān)系模型,并基于該模型,利用極限應(yīng)變法推導(dǎo)出了落葉松膠合木梁抗彎承載力計算方法,該方法計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。4、通過落葉松膠合木梁的等幅抗彎疲勞試驗及靜力對比試驗,分析了落葉松膠合木梁疲勞破壞形態(tài)與破壞機理,研究了其剛度退化規(guī)律及疲勞特性。研究結(jié)果表明:落葉松膠合木梁的受壓側(cè)逐步損傷導(dǎo)致承載力降低而最終發(fā)生受拉破壞或順紋剪切破壞;落葉松膠合木梁的抗彎剛度隨疲勞循環(huán)次數(shù)基本呈線性退化,應(yīng)力水平越高,其剛度退化速率越快,并得到了落葉松膠合木梁的剛度退化方程。隨著應(yīng)力水平的增大,落葉松膠合木梁的疲勞壽命逐漸降低;在應(yīng)力比為0.2,應(yīng)力水平為0.55倍極限抗彎強度時,疲勞循環(huán)次數(shù)超過200萬次,滿足構(gòu)件有限壽命疲勞設(shè)計的要求,說明膠合木梁具有較好的疲勞特性;對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,初步得出了落葉松膠合木梁的S-N曲線數(shù)學(xué)表達式。5、基于疲勞模量分別采用線性損傷、非線性損傷及熱力學(xué)損傷理論得到了相應(yīng)的損傷演化方程,擬合方程曲線與試驗結(jié)果吻合良好;基于宏觀唯象學(xué)的損傷理論,并結(jié)合疲勞損傷演化方程,推導(dǎo)出了膠合木梁剩余疲勞壽命和剩余彎曲強度的表達式,由此可以求得給定疲勞應(yīng)力水平、損傷變量值下的剩余疲勞壽命和剩余彎曲強度,為膠合木梁的安全性能評估提供參考;運用灰色系統(tǒng)理論建立了單變量的GM(1,1)疲勞壽命預(yù)測模型,此外,基于剛度退化方程和累積損傷理論推導(dǎo)出了一個疲勞壽命預(yù)測方法,兩者的預(yù)測值與試驗結(jié)果均較吻合,可以減少疲勞試驗工作量及經(jīng)濟損耗。6、采用不同的加載方式對不同尺寸的落葉松膠合木梁進行了剪切性能試驗,分析了膠合木梁的破壞形態(tài)和破壞機理,研究了加載方式、截面積及剪跨比對膠合木梁剪切強度的影響。試驗結(jié)果表明:落葉松膠合木梁剪切破壞形態(tài)均為順紋錯動破壞,荷載-位移曲線具有明顯的兩階段非線性特征;隨著剪跨比的增大,抗剪強度近似呈線性降低;抗剪強度隨著構(gòu)件截面積的增大而逐漸減小,且是構(gòu)件截面積的冪指數(shù)函數(shù)。通過對比分析得到了落葉松膠合木梁抗剪強度與清材剪切強度的經(jīng)驗表達式。7、進行了 3組不同應(yīng)力水平下的膠合木梁蠕變性能試驗,分析了膠合木梁的蠕變變形機理,探討了蠕變經(jīng)歷對膠合木梁靜力性能的影響,研究了蠕變變形規(guī)律。結(jié)果表明:蠕變經(jīng)歷降低了膠合木梁的彈性模量;隨著應(yīng)力水平的增大,瞬時蠕變變形、穩(wěn)態(tài)階段的變形速度及總?cè)渥冏冃尉粩嘣龃�。基于Burgers蠕變模型,利用origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,該模型擬合精度較好,可以用來預(yù)測短期蠕變,并得到了不同應(yīng)力水平下落葉松膠合木梁的蠕變本構(gòu)模型和蠕變特性常數(shù)。為了能預(yù)測長期蠕變,引入一參數(shù)k來改進Burgers模型,并對膠合木梁的長期蠕變進行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與實際較為吻合。
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【學(xué)位授予單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU366.3
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本文編號：2364596