偏心受压胶合竹柱抗火性能试验研究

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竹材作为一种纯天然、可降解的生物质复合材料,具有生长速度快以及绿色环保等特点。以原竹作为原材料,利用现代加工、处理技术制成的工程竹材,其物理力学性能优于传统木材,绿色环保方面优于混凝土、砌体等传统建筑材料。以胶合竹为代表的现代工程竹材也越来越受到人们的青睐,而对于竹木绿色生物质材,为获得良好的外观效果,往往不采取任何防火措施,加上材料自身的可燃性,竹木结构建筑的抗火研究就显得尤为重要。柱作为整个结构体系中重要受力构件,其火灾下的性能的研究就更为重要。而在实际工程应用中,由于设计或者施工工艺的偏差、偶然横向荷载等情况而出现的偏心或者附加弯矩,因此柱的偏心受压性能也至关重要;基于上述背景,本文分别对常温以及火灾下偏心受压胶合竹柱进行了试验研究以及理论分析,揭示其在常温和火灾条件下的力学行为反应以及破坏机理,推导出承载力以及耐火极限计算方法。首先考虑5种不同偏心距以及2种不同截面尺寸,通过试验探究偏心受压胶合竹柱常温下的受力性能和破坏模式,获得了各组试件荷载-位移曲线、荷载-应变曲线、跨中截面应变分布以及荷载-弯矩等结果。试验结果表明:在不同偏心距作用下的偏压胶合竹柱,最终破坏形态均为侧向位移较大而导致受拉侧纤维断裂,类似于受弯破坏。整个变形过程中,试件各截面始终保持平面,符合平截面假定,试件的变形曲线与二次函数曲线吻合较好。接着采用有限元软件ABAQUS对各组偏压胶合竹柱构件进行了分析模拟,并与试验结果进行对比,验证了有限元模型的准确性。在试验以及有限元基础上,对胶合竹柱偏心受压承载力进行理论分析与推导。在推导过程中,先根据材性试验给出了胶合竹拉压简化本构关系模型。基于此本构模型,参考不同模量弹性理论,给出胶合材偏心受压破坏时挠曲线方程,接着利用平截面假定,建立力和弯矩平衡方程,推导出偏压胶合竹柱的极限承载力计算公式。通过与试验对比发现,两者吻合较好,验证了算法的正确性。最后再次基础上进行了参数化分析,给出偏心受压胶合竹柱极限承载力的简化计算公式,便于设计使用。然后分别对胶合竹短柱以及偏心受压长柱进行了四面受火试验。短柱试验主要研究不同受火时间以及水平与竖直两种受火状态下胶合竹炭化情况。试验结果表明,径向和切向受火面炭化层分别达到三层和两层时会发生脱落,并且在40min前两种受火状态对胶合竹的炭化几乎没有影响。偏心受压胶合竹柱火灾试验主要考虑了偏心距对其抗火性能的影响,获得了各试件表面升温(炉温)曲线,构件不同深度处温度-时间曲线以及轴向位移-时间曲线。结果表明,不同偏心距试件在相同持荷比作用下耐火极限较为接近,试件临近破坏时,变形速率较大,最终破坏形态均为受拉侧纤维被拉断而导致试件丧失承载力。基于试验测得炉内升温曲线以及温度场等结果,采用有限元软件ABAQUS分别进行了传热分析和抗火性能分析,并与试验结果进行对比分析,验证了有限元模型的正确性。在试验结果和有限元基础上,考虑径向和切向受火面炭化后脱落特性的差异性,给出了两个方向炭化深度以及炭化速度模型。随后,参照欧规EC5中木结构抗火设计,采用折减截面法对截面进行简化计算,并结合常温下承载力计算公式,给出火灾后胶合竹柱剩余截面承载力计算模型,与试验结果较为吻合。最后综合以上分析给出了偏心受压胶合竹柱耐火极限计算方法。
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