疲劳荷载作用下木—混凝土组合梁承载能力研究

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木-混凝土组合(timber-concrete composite,以下简称为TCC)梁是指通过不同类型的连接件将混凝土板和木梁连接起来的一种新型组合结构,其中混凝土板主要受压,木梁主要受拉,充分发挥两种材料的性能。TCC结构具有自重轻、能耗低、施工方便、抗火性好等优点,引起了工程界的重视。近年来,TCC梁承载能力研究方法主要是经验法、理论分析法和大型组合梁试验法。宏观上,材料强度与组合梁抗弯承载能力有着密切联系。迄今为止,考虑材料强度影响的TCC梁抗弯承载能力相关研究甚少。材料强度发生改变时,TCC梁抗弯承载能力亦将发生改变。TCC梁的主要材料是混凝土、木材、钢材(剪力连接件)。剩余强度是指材料在承受一定次数疲劳加载之后仍可抵抗外荷载的能力。目前,关于混凝土和栓钉连接件的剩余强度研究较为成熟,而对木材顺纹疲劳强度的相关研究几近空白。本文采用疲劳试验研究方法,探究落叶松木材强度变化规律,为疲劳荷载作用下TCC梁抗弯承载能力计算提供依据。根据TCC梁受力特点制作12个落叶松顺纹抗拉强度试件和4个抗压强度试件,进行不同应力水平、不同循环次数下的单向受拉疲劳试验和单向受压疲劳试验。进一步,建立了落叶松木材顺纹强度变化模型。采用SEM(Scanning Electron Microscope)对试件断面形貌进行观察、分析,揭示了木材顺纹强度变化的主要原因。最后,基于材料强度模型及截面受力特征,建立了疲劳荷载作用下TCC梁抗弯承载能力计算模型,并通过算例验证了材料强度对TCC梁抗弯承载能力的影响。主要研究成果和结论如下:(1)疲劳荷载作用后,落叶松木材顺纹抗拉强度显著提高:当应力范围为0.44ft0(ft0为设计抗拉强度)时,经过211.6万次单向受拉疲劳加载后,落叶松木材顺纹抗拉强度提高24.5%。当应力范围为0.6ft0时,经过200万次单向受拉疲劳加载后,木材抗拉强度提高28.4%。(2)疲劳荷载作用后,落叶松木材顺纹抗压强度基本不变。(3)通过SEM断口形貌分析,揭示了落叶松顺纹强度变化的主要原因。疲劳荷载作用下,抗拉试件孔腔收缩变形,纤维层排列更加密实,导致木材抗拉强度升高。疲劳荷载作用下,抗压试件形貌无明显变化,木材抗压强度基本保持不变。(4)建立了疲劳荷载作用下TCC梁截面抗弯承载能力理论计算模型,并进行数值验证。(5)试验研究及计算分析结果表明:在进行TCC梁设计时,可偏安全地忽略疲劳荷载对木材顺纹强度产生的影响。低应力水平疲劳荷载作用下,木材强度不是控制TCC梁疲劳性能的主要因素。
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