基于SHPB试验的木材动态力学特性及冲击下木梁性能研究

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我国南部地区存在诸多木结构建筑。这些木结构除受准静态荷载外,还不可避免会受到一些动力冲击荷载。日常生活中存在诸如暴雨、地震等自然灾害,这些灾害容易造成山石滑落、泥石流冲击等危害发生,会对木结构建筑造成冲击荷载,以至结构不同程度的损坏。但目前针对木材的动态力学性能研究较少。本论文针对南方民宅的两种常用木材——菠萝格木与杉木,采用基于分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验进行动态材性力学特性研究,并基于落锤冲击试验下研究木梁抗冲击性能研究。对完善木结构理论、探索动力冲击下木结构的力学性能、保障木结构安全有较重要的理论意义和社会价值。主要研究内容如下:(1)材性上,对菠萝格木和杉木进行动态材性性能研究分析,在0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa五种冲击气压下,对两种木材三种方向(纵向、径向、弦向)进行分离式霍普金森压杆(SHPB)试验。试验结果表明,当冲击气压为0.10MPa~0.30MPa,菠萝格木与杉木在相同木材方向、相同气压下的应变率相近。高应变率下,绝大部分的木材试件的动态抗压强度比静态下大;在相同木纹方向、相同冲击气压下,杉木抗压强度动力放大系数DIF是菠萝格木的2~3倍;在相同木材种类、相同冲击气压下,径向和弦向试件抗压强度动力放大系数DIF是纵向试件的3~4倍。两种木材在三个方向(纵向、径向、弦向)上的抗压强度动力放大系数DIF拟合曲线,与试验值发展趋势一致,曲线整体误差小、吻合度高。(2)构件上,对菠萝格木梁、杉木梁进行静动力性能研究分析。设计不同冲击高度(速度)、不同落锤质量的菠萝格木梁共10根(截面木纹方向包括径向、弦向),不同冲击高度(速度)、截面尺寸的杉木梁共10根(冲击摆放方向包括竖向、横向),进行落锤冲击试验,同时对两种木梁进行单调静载试验作为对照试件,各2根,共4根。试验结果表明,菠萝格木梁大部分试件加载过程中发生纵向木纹层间滑移现象,出现纵向劈裂;杉木梁试件加载过程中发生开裂/断裂破坏;大部分木梁在冲击作用下的峰值冲击力比静载下极限承载力高,其峰值冲击力随冲击高度的增大而增大;对于菠萝格木梁,在维持冲击动能接近下,增大落锤质量同时降低冲击高度,其峰值冲击力在一定范围上下波动;对于杉木梁,在保持冲击高度相同(0.4m)的条件下改变木梁截面高度,随着木梁截面高度增大,其峰值冲击力随之增大;对于菠萝格木梁,试验中其冲击力时程曲线形状包括首峰段(主峰段)、平台段、下降段,而对于杉木梁,其曲线形状包括首峰段、主峰段、次峰段。(3)结合对菠萝格木、杉木材料动态力学性能研究,与对菠萝格木梁、杉木梁单调静载试验、落锤冲击试验的规律分析,对单调静载、落锤冲击作用下木梁受力机理展开探讨和分析。建议可采用四种方法对集中荷载下木梁的极限承载力进行分析计算,对于菠萝格木梁,方法2(木材材料强度不折减)和方法4的理论计算值与试验值较相近,木梁以顺纹受剪破坏为主;对于杉木梁,方法1(木材材料强度折减)和方法4的理论计算值与试验值较相近,木梁以受弯破坏为主;其中方法4在考虑应变率效应下对落锤冲击试验的菠萝格木梁、杉木梁峰值冲击力的估算是合理且较为准确的,能更好预测木梁极限承载力。
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