木材的荷载持续作用效应研究

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木材在荷载持续作用下强度会逐渐降低,变形会逐渐增大,这种现象被称为木材的荷载持续作用效应(Duration of load effect,简称为DOL效应)。正确地反映荷载持续作用对木材强度的影响对于木结构设计具有重要意义。目前,对结构木材和清材的荷载持续作用效应是否相同、荷载持续作用是否影响木材弹性模量等重要问题的认识仍不一致,也不甚清晰。对荷载持续作用下木材的强度降低现象仍缺乏具有物理和力学意义的解释。在此背景下,本文对木材的荷载持续作用效应开展系统深入的研究。对DOL试验方法进行了讨论和研究。对比分析了试件匹配法和试样匹配法两种强度估计方法的准确性,介绍了基于累积损伤理论和断裂力学理论建立的预测木材长期强度的DOL模型,并基于累积损伤模型对DOL试验中采用恒定加载法和阶梯加载法进行长期试验的木材的损伤过程进行计算,对比基于两种加载方法得到的DOL曲线所反映的荷载持续作用效应的轻重。介绍并分析了各国木结构设计标准中DOL效应系数的确定方法,并提出了一种考虑设计基准期内荷载历程的DOL效应系数计算方法。对结构木材和清材的荷载持续作用效应进行受弯试验研究。试验中通过No.2级规格材和No.3级规格材的受弯试验反映结构木材的荷载持续作用效应,通过清材小试件的受弯试验反映清材的荷载持续作用效应。短期试验和长期试验均在恒温恒湿环境中进行。长期试验中采用试样匹配法估计规格材试件和清材小试件的短期强度,得到了反映木材强度随荷载持续作用时间变化的DOL曲线。将试验结果与Madison曲线、Wood曲线和Madsen与Barrett的试验结果比对,分析出现异同的原因。基于试样匹配法验证了影响木材损伤的应力比阈值的存在,并提出了应力比阈值确定方法及建议值。对顺纹受拉试件和横纹受拉试件的荷载持续作用效应进行了试验研究。自行设计了适用于长期受拉试验的加载装置,通过杠杆原理对配重进行放大。通过长期试验得到了顺纹受拉试件和横纹受拉试件强度与荷载持续作用时间之间的关系。基于试验数据对预测木材长期强度的DOL模型进行了参数校准,用以预测长期加载期以外木材的强度。开展了荷载持续作用对木材变形(蠕变)和弹性模量影响的试验研究。利用蠕变试验结果对蠕变幂律模型进行校准,并基于校准后的蠕变幂律模型给出了设计基准期50年对应的蠕变系数。测量计算了长期加载结束后未破坏试件的长期弹性模量,获得了荷载持续作用对木材弹性模量的影响规律。作为一种粘弹性材料,木材具有蠕变和应力松弛等特性。本文基于粘弹性理论解释木材受荷载持续作用的影响,提出了一种基于粘弹性理论的反映木材蠕变和强度降低规律的本构关系。本构关系中引入了并联粘弹性元件之间的应力转移概念、粘弹性参数的时变概念和分数阶粘壶元件概念。利用试验数据对所提出的本构关系模型进行了参数校准,使校准后的本构关系模型可以同时反映荷载持续作用对木材强度、弹性模量和变形的影响。
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