工程用生物基材料力学性能研究.pdf

:./.工程用生物基材料力学性能研究收稿日期:基金项目:湖南省大学生创新创业训练项目()作者简介:李 小()男在读本科生工程管理专业 通信作者:王 萍()女高级工程师从事道路设计、工程造价工作李 小 王 倩 周巧宇 陶家乐 王 萍(.湖南工商大学前沿交叉学院湖南 长沙.中国华西工程设计建设有限公司长沙分公司湖南 长沙)摘 要:工程用生物基材料具有轻质、高强、美观、力学性能优越的特点是极具应用潜力的绿色建筑材料 工程用生物基材料主要分为工程用木基材料和工程用竹基材料两大类 基于已有研究分别对工程用木基材料和工程用竹基材料的抗拉、抗压、抗剪、抗弯等力学性能进行总结分析两者本构模型的优缺点、归纳各力学指标的概率分布总结基于可靠度的设计方法发现工程用木基材料的力学研究涵盖的材料较为充分但是工程用木基材料的本构模型和设计方法有待进一步研究关键词:工程用木材基材料工程用竹基材料力学性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言国务院于 年 月发布了 年前碳达峰行动方案明确指出工业领域需推动建材行业碳达峰加强新型凝胶材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用 传统建筑行业迎来向“建筑材料低碳化、建筑结构绿色化”转型的重要契机 既有研究表明生物质材料建造而成的现代木/竹结构能耗低每平方米木结构能耗为砖混结构的/每平方米竹结构能耗则为砖混结构的/研究和发展工程用生物质材料有助于实现建筑行业碳达峰的目标 工程用生物质材料具有环保、美观、力学性能优越等优点近年来引起学术界和工业界的广泛关注已形成现代木/竹结构试验、设计、施工相关的规范体系建成了竹结构房屋、大跨度胶合木拱桥、层全木建筑等新型结构 现 代 木/竹 结 构 的 迅猛发展离不开对工程用生物质材料力学性能的研究全球范围来看关于工程用生物质材料的研究主要包括两个方面即短期荷载和长期荷载作用下的力学性能研究 从材料的角度来看工程用生物质材料可分为工程用木基材料和工程用竹基材料 两者虽同属黏弹性材料但是力学性能有一定差别 因此本文将分别总结工程用木基材料和工程用竹基材料力学性能本构模型、概率分布及设计方法对比工程用木基材料和工程用竹基材料的优劣为生物质材料在工程中的进一步推广和应用提供参考 工程用木基材料采用现代工艺加工木材可以制作多种工程用木基材料如胶合木()、单板层积材()、定向木片板()、正交胶合木()等如图 所示（a）GLT（b）LVL（c）OSB（d）CLT图 1工程用木基材料.本构模型除了通过试验研究获取工程用木基材料的基本力学指标分布之外为探究工程用木基材料在不同短期静力荷载作用下的受力机理国内外研究人员通过理论研究的方式对工程用木基材料的本构模型进行了研究 既有研究将工程用木基材料复杂的受力行为分为线性受力和非线性受力两个阶段 线性受力阶段通常采用弹性本构模型来描述非线性受力阶段则主要采用弹塑性模型、弹性损伤模型和弹塑性损伤模型这三种本构模型来描述杨娜等在单参数纤维复合材料本构模型的基础上提出一种双参数的弹塑性本构模型并通过红松材受压试验对模型的参数进行识别双参数的弹塑性本构模型考虑 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .了纤维方向的塑性应变可以预测任意方向压力作用下木材的应力 应变变化规律 弹塑性本构模型、弹性损伤模型、弹塑性损伤模型 各有优缺点如表 所示表 不同本构模型的优缺点优缺点弹塑性模型弹性损伤模型弹塑性损伤模型优点描述木材在压应力作用下的硬化行为反映木材的残余变形在一定程度上反映材料的软化行为和刚度退化行为合理描述木材的硬化与软化行为以及不可恢复变形缺点难以描述拉应力、剪应力作用下木材的强度软化和刚度退化行为未考虑木材的塑性变形存在应变局部化的问题 值得指出的是与其他木工程用木基材料不同能克服木材各向异性可作为承重构件应用于大跨度和高层现代木结构中近年来成为工程用木基材料领域的研究热点 由于正交的层积方式 有突出的滚动剪切的特性 目前主要采用机械连接理论、复合层板理论、剪切类比法和简单设计法来预测 的等效抗弯刚度和抗弯强度等力学指标机械连接理论对 简支梁且荷载分布形式为正弦半波的情况提供精确解但对其他荷载分布形式仅可提供近似解复合层板理论对跨高比较大的情况比较准确但是无法剪切变形剪切类比法的适用范围较广预测抗弯刚度、抗弯强度及抗剪强度 如 将北美白松、红枫和水曲柳这三种低等级木材制成交叉层压木板测试其弯曲刚度发现剪切类比法预测的软木材 板的弯曲刚度低于 预测的硬木 板的弯曲刚度低于 孙晓峰等则采用剪切类比法计算了铁杉正交胶合木板弯曲、剪切标准值和设计值 等研究了 层和 层 板的剪切刚度利用 梁理论和剪切类比法将计算结果与单层性能评价的剪切刚度值进行了比较发现剪切刚度对于顺纹剪切模量和横纹剪切模量较为敏感.概率分布和设计方法国内外学者对以上工程用木基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转等力学性能开展了广泛研究 由于木材各项异性、锯材分级技术的局限性导致制作而成的木基产品性能变异性较大因此科研人员通常采用概率的研究方法研究工程用木基材料的各项力学性能 如 等提出木材顺纹抗拉强度服从 分布横纹抗拉强度服从 分布顺纹抗压强度服从 分布横纹抗压强度服从 分布弯曲强度服从 分布剪切强度服从 分布 王春明等选用国产杨木制作成 采用拟合优度检验方法进行研究发现杨木 的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度和抗弯强度均符合 分布 等采用通用试验装置进行足尺 构件的抗扭试验发现 的剪应力高度依赖于材料的剪切模量针对规格材的稳定性问题 祝恩淳等采用回归分析方法确定了规格材轴心受压试件的稳定系数提出的稳定系数统一算法可适用于各类木产品构件并给出了木结构可靠度理论分析的功能函数 及规格材抗弯强度设计值 的计算公式即:()()其中为木构件截面尺寸不定性系数随机变量为抗力计算模式不定性系数随机变量为荷载持续作用对木材或木基产品强度的影响系数随机变量为木材或木基产品的短期强度随机变量为木材或木基产品的强度标准值为荷载持续作用效应系数常量为 的均值为荷载组合系数 为恒载与其标准值之比 为可变荷载与其标准值之比 为可变荷载与恒载的标准作用效应比为作用效应计算方程的不定性随机变量为木构件的抗力分项系数常量为恒载分项系数常量为可变荷载分项系数其中为木构件的设计值随后钟永等以国产兴安落叶松规格材为研究对象采用可靠度理论方法优化了我国规格材强度设计值的计算方法以上研究主要通过对试验数据进行统计分析获得工程用木基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转的强度的分布特征为工程用木基材料的设计提供了基础数据 工程用竹基材料根据材料的组织结构工程竹基材料大体可以分为集成竹材、重组竹材(如图 所示)集成竹材保留了竹片的完整性重组竹材则将竹材加工成长条状竹篾、竹丝或碾碎成竹丝束后重新胶合压制成的型材密度更大硬度更高胶合程度更紧密（a）集成竹材（b）重组竹材图 2工程竹基材料.本构模型近年来国内外学者通过试验和理论分析对工程用竹基材料的短期强度、变形等力学性能进行了研究 为探究集成竹材的力学性能肖岩等系统地开展了结构用胶合竹材的研究论证了结构用胶合竹材的优越性能沈玉蓉等基于 梁理论考虑材料非线性建立了第 卷 第 期 年 月 山西建筑 压弯构件在塑性工作状态下的承载力计算方法并通过重组竹梁受弯试验和重组竹柱偏心受压试验验证了该方法的准确性为现行相关设计规范仍采用线弹性计算方法提供了估算重组竹梁压弯承载力 等开展了竹篾层积材和胶合竹板的面内纵向的混合/型断裂试验构建了以上两种工程用竹基材料的混合/型断裂包络图发现胶合竹构件比竹篾层积材构件的安全性更高在纯竹工程材料的基础上学者借鉴 的层叠概念进一步提出了正交胶合竹木 ()并对这类竹基材料的性能开展了一系列研究 研究发现 梁的弯曲承载力高于 梁的承载力 墙的保温隔热性能较好其热阻值随着外部温度升高而降低其热阻值与热传系数与 墙的接近具有替代 的潜力 为探究 偏压力学性能 进行了 个 小试件的偏压试验发现与胶合层板构件相比 构件在偏压作用下的力学性能随着偏压角度的变化更为缓慢提出了偏压作用下弹性模量的预测模型模型的形式和材料均会影响 构件偏压力学性能预测模型的精度.概率分布和设计值工程用竹基材料各项力学指标的概率分布和设计值的确定是其能推广到工程应用的关键问题之一 江泽慧等较早地开展了工程用集成竹材的物理力学性能的研究获得了工程用竹集成材的基本物理指标发现集成竹材的水平剪切强度明显优于、落叶松等木基材料且抗弯强度及弹性模量等也很优越 肖岩等通过试验获得了工程用胶合竹的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度计算了各自的平均值和变异系数提出采用容许应力折减系数计算胶合竹材的设计参考值的方法苏毅等通过对集成竹材的材性试验和 个集成竹材简支梁试件的抗弯试验开展集成竹材梁的非线性弯曲性能研究提出集成竹材简支梁受弯承载力 和挠度 的理论计算模型如下:()()其中 为梁截面宽度为抗拉弹性模量为抗压弹性模量为集成竹材小变形弹塑性阶段线性上升段的斜率为顺纹轴压比例极限压应力为抗拉强度为顺纹轴压比例极限压应变 为梁截面高度为塑性变形 等通过试验方法和理论推导给出了胶合竹板的嵌入强度的设计值直接预测单向、层压胶合竹的连接件或交叉层压板的平均极限强度为胶合竹结构的工程应用提供了理论基础 等对用于工程的胶合竹板进行了拉伸、压缩、弯曲和剪切的力学试验提出了可用于估算胶合竹的轴向和弯曲性能给出了超过 概率的强度特征值并发现工程木制品相比工程用竹基材料的强度值比工程木基材料要高得多且强重比不小于典型的工程木基材料 等则给出了重组竹顺纹受压三段式应力 应变关系即线性、非线性强化和非线性软化受压阶段 针对竹基材料力学性能变异性大的问题钟永等优化了抽样技术提出了重组竹特征值的计算方法以上研究主要通过对试验数据进行统计分析获得工程用竹基材料的抗拉、抗压、弯曲、剪切和扭转的强度的分布特征为工程用竹基材料的设计提供了基础数据 结论综上所述针对工程用生物质材料的力学性能研究目前已取得较多成果覆盖的材料种类丰富涵盖了硬木、软木、集成竹、重组竹等不同的材料为工程应用提供了较多的选择但是目前仍有可以拓展的工作:)已有研究较多集中在短期力学性能的研究对于长期荷载作用下的力学性能、保温隔热、声学等性能研究较少)推导强度理论采用的理论方法多样化假设条件有差别因此尚未建立统一的力学本构模型)主要针对清材小试件进行抗拉、抗压、抗弯、抗剪等试验但是试验标准尚未统一因此试验结果有所差异且较少涉及足尺试验研究尺寸效应因此基于可靠度的强度设计值的计算还应该考虑尺寸效应等影响因素参考文献:薛竹怡傅金和.碳中和背景下湖南桃江竹产业发展现状与路径分析.世界竹藤通讯():.刘伟庆杨会峰.现代木结构研究进展.建筑结构学报():.王睿.现代竹木结构剪力墙主要连接件的理论分析与试验研究.长沙:湖南大学./():.杨娜张雷秦术杰.一种描述木材受压的非 第 卷 第 期 年 月 李 小等:工程用生物基材料力学性能研究线性本构模型及试验验证.土木工程学报():.王明谦宋晓滨顾祥林.基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析.土木工程学报():.():.():.():.孙晓峰何敏娟李征.铁杉正交胶合木板弯曲及剪切性能.建筑结构学报():.():.():.王春明任海清赵荣军等.结构用杨木单板层积材力学性能特征值的研究.林业机械与木工设备():.():.祝恩淳武国芳张笛等.轴心受压木构件稳定系数的统一算法.建筑结构学报():.祝恩淳牛爽乔梁等.木结构可靠度分析及木材强度设计值的确定方法.建筑结构学报():.钟 永.结构用重组竹及其复合梁的力学性能研究.北京:中国林业科学研究院.肖 岩李磊杨瑞珍.胶合竹梁桥蠕变及承载力试验研究.建筑结构():.沈玉蓉黄东升卞玉玲等.重组竹压弯构件承载力非弹性分析方法.建筑结构学报():./.():.肖岩王睿闻婕.正交胶合竹木.建筑结构学报():.():.江泽慧常亮王正.结构用竹集成材物理力学性能研究.木材工业():.肖岩杨瑞珍单波等.结构用胶合竹力学性能试验研究.建筑结构学报():.苏毅宗生京徐丹等.竹集成材梁非线性弯曲性能试验研究.建筑结构学报():.():.():.():.():.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月 山西建筑 火规范(年版):.北京:中国计划出版社:.中华人民共和国住房和城乡建设部.消防设施通用规范:.北京:中国计划出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑设计防火通用规范:.北京:中国计划出版社:.赵锂陈怀德姜文源.消防给水及消火栓系统技术规范:实施指南(修订版).北京:中国工业出版社:.姜乃昌.泵与泵站.版.北京:中国工业出版社:.张慧东刘赣英.浅谈消防水泵房给排水设计要点.给水排水():.周宏波.民用建筑消防给排水的设计技术与完善措施.建筑设计管理():.刘勇.建筑消防给水系统问题探究和管理探索.工程建设与设计():.周明衡常德功.管路附件设计选用手册.北京:化学工业出版社:.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑给水排水设计标准:.北京:中国计划出版社:.张龙.给排水设计中与结构专业配合的常见问题探讨.给水排水(增刊):.李向军.消防泵房和消防水池的工程设计探讨.给水排水():.唐云平.建筑消防验收质量控制要点研究.铁道建筑技术():.郭广义.谈建筑消防给水系统的一些问题及对策.山西建筑():.(.):.:(上接第 页)(.):.:.:第 卷 第 期 年 月 山西建筑