竹、木构件受压性能及其极限承载力研究

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现代竹木结构正逐渐往多层、高层建筑发展,极限状态下竹、木压弯构件的非线性分析是亟待解决的理论问题。本文针对竹、木材料矩形截面及空心矩形截面构件的受压性能展开研究。从重组竹矩形截面受压构件入手,以长细比和偏心距为控制变量,进行了轴心、偏心受压试验,研究了构件的受压性能、破坏机理和损伤规律;提出了重组竹矩形截面构件在压弯荷载作用下的极限承载力非线性计算方法;以SPF空心矩形截面构件的受压性能为例,分析了空心截面构件的极限承载力计算方法,研究了空心率对极限承载力的影响;采用理想弹塑性模型作为大部分竹、木材料的通用简化本构模型,通过非线性回归方法,得到了构件在受弯、单向压弯、双向压弯荷载下的极限承载力校核公式。主要结论如下:(1)矩形截面和空心截面构件轴心受压破坏模式基本一致,取决于构件的长细比,长柱为整体失稳破坏,中长柱为弹塑性屈曲破坏;(2)轴心受压构件极限承载力随长细比增大而显著减小;Euler理论仅适用于细长柱;中长柱实际承载力处于切线模量理论和折算模量理论的计算结果之间,且切线模量理论计算结果更接近试验值;源于Ylinen公式的美国木结构设计规范的轴心受压构件承载力公式以及基于大量试验数据的国标中提出的轴心受压构件承载力公式的计算结果和试验结果吻合较好;(3)构件偏心受压破坏模式可分为压屈破坏和弯曲破坏,取决于荷载偏心距。压屈破坏为小偏心破坏模式,表现为受压区边缘压应变率先达到材料极限压应变,纵向纤维压屈外鼓;弯曲破坏为大偏心破坏模式,表现为受拉区边缘拉应变率先达到材料极限拉应变,纵向纤维拉断;(4)偏心受压构件沿截面高度方向分为受拉区、弹性受压区和塑性受压区三部分;双向偏心受压构件的受拉区可能呈三角形或梯形分布;随荷载偏心距增大,构件极限承载力显著降低,而偏心角对构件承载力的影响较小;(5)考虑竹木材料顺纹受压的非线性和压弯构件的变形非线性,提出了矩形截面构件在偏心荷载下的承载力分析模型:推导了端部含钢域的构件挠曲线方程;以条带积分法运算了截面的内力响应;以中性轴高度以及荷载值为迭代算子,以内外力平衡为判断标准,通过嵌套迭代法求解了构件在特定荷载偏心距下的承载力;更进一步,利用内力积分的割补原理,将空心截面内力积分转化为两实心矩形截面内力积分之差,得到了空心截面构件的承载力分析模型;模型所得承载力和试验值基本吻合;(6)空心矩形截面构件的极限承载力远高于同截面积的实心矩形截面构件,承载力最高可提升60%;当构件空心率大于60%时,随空心率减小构件极限承载力显著提升,当构件空心率不超过30%时,减小壁厚几乎不影响构件的承载能力;(7)利用理想弹塑性模型作为大多数竹、木材料的通用简化材料模型,计算出了构件的破坏包络面和等轴力曲线,通过非线性回归方法,得到了受弯构件、单向偏心受压构件及双向偏心受压构件的承载力校核公式。
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