原竹与复材包裹增强原竹力学性能研究

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本文提出利用GFRP(玻璃纤维增强复合材料)包裹原竹增强结构轴压性能的方法,以毛竹为研究对象并进行了毛竹力学性能试验、宏观与细观构造研究、GFRP包裹增强毛竹筒与螺栓节点试验研究,论文的主要工作与成果包括:(1)进行127个竹筒轴压试验,研究包括5种尺寸、取材部位及竹节对力学性能的影响。获得了试件的破坏模式、极限承载力与变形。试验发现,竹筒轴压的破坏模式主要由面外鼓曲变形造成纵向纤维开裂,竹筒由闭口圆环截面变成开口圆环截面,其抗压承载力大幅下降。毛竹秆长度介于7~8m,局部节间内的平均抗压强度差异在5%以内,然而端部却比底部强度提高6.4%~12.2%。由于竹节内纤维弯折且不连贯,竹节对毛竹抗压强度下降1.5%~10.3%,竹节对底部试件的负面影响最为显著。完成32个拉伸试验,抗拉强度沿底部至端部增加,增加幅度介于6.9%~17.5%;带竹节试件的抗拉强度对比无竹节试件降低了1.3%~24.2%。由18个剪切试验结果分析,竹筒的剪切性能受取材部位的影响较小,但竹节构造最多降低试件32.4%的抗剪强度。12个毛竹环刚度试验中,端部试件刚度比底部高116.5%~130.5%,而带竹节对比试件大幅提升69%的环刚度与92.1%的抗压承载力。(2)毛竹的力学性能在纵向及径向均呈现梯度分布,为了获取不同取材位置的轴压强度,开展了毛竹承载力无损预测方法研究。研究变量包括节间长度、外周长、截面积、壁厚、维管束面积占比、含水率变化等。通过量测30根毛竹的宏观与细观构造及轴压试验,提出了以外周长与取材高度对维管束面积的计算公式,并以此对毛竹承载力进行评估,可为竹材的工程应用提供理论参考。(3)开展了玻璃纤维增强复合材料布对毛竹筒的包裹增强试验,对比了3种增强类型共87个轴压试验。复材与竹筒端部包裹对抗压强度仅增强13%,而中央包裹则提高了61%。完全包裹试件的破坏模式与复合材料管材类似,由增强前的鼓曲转变为向内折叠渐进屈曲与端部张开破坏;抗压强度提升与竹筒直径成反比,与复材包裹层数成正;4层包裹最大可增强毛竹233%的抗压强度。2组节点试验中,未增强试件容易在螺栓穿孔处开裂破坏,使用复材包裹增强能抑制裂缝扩展并维持节点的承载能力,提升竹结构的安全性。基于文献调研基础与以上试验研究工作,完成毛竹的力学性能评估方法,以FRP增强原竹的可行性获得证实,为竹结构的工程应用提供了技术支持。
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