仿木梁的剪、扭承载力试验及计算理论研究

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木结构建筑在我国拥有十分久远的发展历史,诞生了榫卯连接梁柱的框架体系、《营造法式》、《园治》和《清工部工程做法则例》等技术体系及规程。在这些技术体系及规程的指导下,北京故宫、应县木塔、山西佛光寺等一批批木结构建筑在我国兴起。传统木材具有各向异性、非均质、易燃、生长周期长等缺点,而我国的森林资源较为匮乏,因此寻找一种能够代替木结构的建材以满足人们对木结构建筑的需求及当今社会发展对绿色建筑发展的要求可谓迫在眉睫。贵州大学张华刚教授等将植物纤维添加在以氯氧镁水泥为基体的材料中,制成了一种新形环保无机胶凝仿木材料,这种材料可以大量消纳秸秆、锯末、木屑等材料,具有生态环保的特点,同时,仿木材料以氯氧镁水泥为基体,具有镁制胶凝材料高强、轻质、保温隔热、防火性能优良等特点。本文主要基于两批压制成形仿木材料来开展相关研究工作,第一批材料的压制压力为600吨,第二批材料的压制压力为800吨。使用上述两批材料进行力学性能试验研究,将800吨压力下压制成形仿木材料切割得到试件梁,进行仿木梁抗剪、抗扭承载力试验研究,试验研究开展情况如下:将两批仿木材料置于电子显微镜(SEM)下进行扫描,发现植物纤维能被氯氧镁水泥基体完全浸润,但植物纤维之间的空隙不能被水泥凝胶体完全充填,即植物纤维出现搭桥现象,也出现了顺向排列情况;此外,材料内部产生了针状晶体。对棱柱体和立方体试块进行测量,得到了两批仿木材料的密度,第一批仿木材料密度为0.99g/cm~3,变异系数为0.032,第二批仿木材料的密度为1.15g/cm~3,变异系数为0.030,其密度大体与常用木材相当。针对所制备的两批材料,各制作了30个尺寸为20mm×20mm×20mm的试块进行含水率测试,得到第一批材料的含水率21.07%,第二批材料的含水率为21.48%。仿木材料的力学性能试验开展如下:劈裂抗拉强度试验采用立方体试块进行,两批材料的开裂过程及破坏状态相似,随着荷载的施加,垫条下先产生竖向裂缝,并迅速贯通受拉面,第一批仿木材料的劈裂抗拉强度为1.78MPa,变异系数为0.086;第二批材料的劈裂抗拉强度为2.00MPa,变异系数为0.103。轴心抗拉强度试验,由于几何对中等原因,两批仿木材料的试件均出现有效受拉范围以外的拉断现象,对有效受拉范围内的拉断,当加载接近极限荷载时,均在试件中部出现较为细微的裂纹,随后试件突然断裂,试件拉断后可拼接,但拉断面成锯齿状,第一批仿木材料的轴心抗拉强度为3.22MPa,变异系数为0.102;第二批材料的轴心抗拉强度为4.40MPa,变异系数为0.100。棱柱体抗剪强度试验,随着荷载的施加,试件首先在侧面底部出现竖向裂缝,并随着荷载的增加而向上延伸,当接近破坏荷载时,两个剪切面附件的裂缝迅速贯通试件,破坏较为突然,第一批仿木材料的抗剪强度为3.06MPa,变异系数为0.065;第二批材料的抗剪强度为4.00MPa,变异系数为0.108。采用两点集中加载和均布加载两种方法进行仿木梁抗剪承载力试验。发现梁的破坏受抗弯承载力控制,破坏具有高度脆性性质。两点集中加载时,通过剪跨比在1.0~4.0范围内的21根试件梁进行试验,梁破坏时的剪应力在0.26MPa~0.99MPa之间;均布加载试验时,采用5根试件梁进行试验,采用八个集中力代替均布荷载的方式进行加载,得到仿木梁的平均剪应力为0.366MPa,标准差为0.038MPa,变异系数为0.105。后根据均布加载所得试验结果,初步预估材料的分项系数为1.9,可供当前这种材料的工程应用参考。使用7根试件梁进行抗扭承载力试验,采用在试件的两端各施加一个集中荷载来使构件产生扭转效应的方式进行试验,在加载初期,试件梁处于弹性工作状态,当千斤顶施加的荷载接近破坏荷载时,可以观察到试件梁的两端开始产生扭转裂缝,且裂缝迅速发展,致使梁被迅速扭断,破坏面近似为翘曲的扭曲面。根据计算得到仿木梁的扭矩平均值为1.571kN·m,标准差为0.153kN·m,变异系数为0.097。对仿木材料进行工程试设计,计算出某工程中仿木梁的截面尺寸,得到其观感尺寸相当于现行木结构梁的观感尺寸,因此将仿木材料应用于工程实际是可行的。
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