【摘 要】
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胶合竹作为一种典型的工程竹材,具有轻质高强、含胶量低、各项性能稳定的优点,应用前景广阔。但由于现代竹(木)结构抗火理论及设计方法的缺失,导致人们对工程竹抗火安全理念存在偏差,尤其是螺栓节点的抗火性能方面目前仍未有效解决,使得螺栓节点承载力以及耐火极限的计算成为了现代竹(木)结构设计的难点之一。本文通过对胶合竹钢填板螺栓节点进行系统研究和分析,尤其是高温下胶合竹基本性能、高温下胶合竹销槽承压性能、常
【基金项目】
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江苏省自然科学基金面上项目“高温下重组竹材料及构件基本力学行为研究”(编号:BK20151406),2015-2018; 国家“十二五”科技支撑计划项目“绿色农房适用结构体系和建造技术研究与示范”子课题(编号:2015BAL03B02-02),2017-2020; 国家重点研发计划项目;
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胶合竹作为一种典型的工程竹材,具有轻质高强、含胶量低、各项性能稳定的优点,应用前景广阔。但由于现代竹(木)结构抗火理论及设计方法的缺失,导致人们对工程竹抗火安全理念存在偏差,尤其是螺栓节点的抗火性能方面目前仍未有效解决,使得螺栓节点承载力以及耐火极限的计算成为了现代竹(木)结构设计的难点之一。本文通过对胶合竹钢填板螺栓节点进行系统研究和分析,尤其是高温下胶合竹基本性能、高温下胶合竹销槽承压性能、常温下及火灾下钢填板螺栓节点的承载力及耐火极限的计算方法等方面,补充了现代竹结构抗火设计标准,具有重要的研究意义和价值。其具体的研究工作和成果如下:(1)通过开展胶合竹高温稳态试验,Hot Disk热常数分析试验以及热重-差式扫描量测仪试验,探究了高温下胶合竹力学及热物理性能的变化规律,建立了胶合竹高温下本构关系模型,抗拉强度、抗压强度与弹性模量折减系数的计算公式;与普通木材相比,高温下胶合竹比热有两个峰值,且在100~120°C的突变点上,远低于Eurocode 5中对木材的规定;胶合竹质量折减系数随温度从20°C增加到500°C而减小,在500°C以上趋于定值,与木材及工程竹材变化趋势基本一致;胶合竹导热系数顺纹和横纹差异明显,其比值约为1.93~4.11,20~100℃下导热系数高于普通木材,但随着目标温度增加,差值逐渐较小。(2)通过开展胶合竹单面和多面标准火灾试验,并对不同受力状态下胶合竹构件结果进行对比分析,揭示了火灾下胶合竹炭化性能变化规律。基于三种常见的统计函数模型,提出了横纹径向和横纹切向具有96%可靠度的炭化速度计算值;给出了胶合竹炭化前锋面的温度约为280°C,建立了20~280°C高温分解层内温度-距离函数关系,并提出了受拉及受压状态下零强度层厚度的建议值。(3)通过开展螺栓抗弯性能试验、常温和高温销槽承压性能试验以及胶合竹平板拉伸试验,确定了胶合竹钢填板螺栓节点的关键参数;探究了不同温度及纹理方向下胶合竹销槽承压强度的变化规律,确定了以抗压强度和螺栓直径为基数的胶合竹销槽承压强度的计算方法,为后续常温和高温下螺栓节点的计算奠定了基础。(4)通过开展胶合竹钢填板顺纹和横纹受力试验,探究了试件厚度、螺栓直径、间距以及螺栓数量对螺栓节点顺纹受力承载力的影响,考虑到后期不同强度材料的组合钢填板螺栓节点的计算方便,采用刚塑性模型具有更好的适用性;通过引入校验系数,提出了胶合竹钢填板螺栓节点顺纹受力承载能力计算方法,并考虑了群螺栓效应的影响,提出了胶合竹螺栓节点有效螺栓计算方法;探究了端距和边距对螺栓节点横纹受力承载力的影响规律,并根据延性比不同,将胶合竹螺栓节点分为脆性节点,低延性节点和中等延性节点,并基于Van der Put模型,仅考虑边距影响,提出了螺栓节点横纹劈裂承载能力计算公式。(5)通过对胶合竹钢填板螺栓节点进行常温下和火灾下有限模拟分析,得到了弹塑性模型和粘聚力单元模型可以有效模拟胶合竹螺栓节点的承载力及裂缝的开展,模拟结果与试验结果较为接近,验证了模型的准确性;对比胶合竹梁内部相同位置温度分布云图,提出了不同受火时间下螺栓影响区的范围,且随着受火时间的增加,螺栓自身温度逐渐增加,对周围胶合竹温度的传递作用愈加显著;通过不同持荷比下耐火极限的分析,随着持荷比增加,螺栓节点耐火极限逐渐减小,因此,适当减小持荷比可有效提高螺栓节点的耐火极限。(6)对于火灾下胶合竹钢填板螺栓节点,通过有限元方法确定了螺栓节点区域不同时刻及不同位置下温度的影响系数,结合胶合竹销槽承压强度随温度的折减系数,然后按照Johanson理论确定不同受火时间螺栓节点的承载能力的计算方法;对于给定持荷比的胶合竹钢填板螺栓节点,可通过火灾下承载力计算的的逆运算求解,通过反复迭代的方法,确定最终胶合竹螺栓节点的耐火极限。本文以高温下胶合竹材料性能研究为先导,逐步开展钢填板螺栓节点受力及弯剪性能研究,确定了常温下和火灾下螺栓节点承载力及耐火极限的计算方法。通篇按照火灾试验、模型修正、理论分析循序渐进,为胶合竹结构的推广和应用提供了重要的试验依据和理论基础,进一步促进了绿色建筑在装配式建筑中的发展。本文的创新点如下:(1)通过稳态试验方法,首次建立了不同纹理方向及温度下胶合竹本构关系模型,提出了比热容及导热系数等热物理参数随温度变化关系,为胶合竹构件耐火极限计算及有限元模拟分析提供了参数依据。(2)基于标准火灾试验方法和概率分布函数,首次提出了胶合竹切向及径向炭化模型,依据静力等效原则确定了构件零强度层厚度值,为胶合竹构件抗火设计计算剩余截面提供重要参数。(3)通过胶合竹螺栓节点顺纹及横纹受力试验,提出了胶合竹螺栓节点承载力计算方法,同时基于螺栓影响区的温度分布及销槽承压折减规律,建立了火灾下螺栓节点耐火极限的计算方法。(4)通过对比三种不同旋转中心以及两种破坏模式对应的计算方法的结果差异,确定了以梁端与最底部螺栓交点位置为旋转中心,而螺栓节点承载力下限值按照劈裂破坏计算,而承载力上限值则以延性破坏计算。
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