荷载及环境共同作用下古木框架静力性能研究

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古木建筑主要以木框架为主要承重结构,各构件之间通常采用榫卯连接组合在一起。木材是一种多孔且吸湿的生物材料,容易受周围环境中温湿度变化的影响。在温湿度变化的情况下,木材内部会出现较大的湿热应力。在荷载及环境中温湿度变化共同作用下,木结构会出现普通蠕变以及机械吸附蠕变现象,使得木结构出现复杂的应力和变形情况。古木结构的服役年限一般都很长,因此古木结构长期地受到荷载和环境的作用,这势必会影响古木结构的承载能力,最终会影响古木结构的正常使用和安全可靠性。为此本文对荷载及环境共同作用下古木框架的静力性能开展了研究,主要的研究工作与取得成果如下:(1)选取古木材加工成试件进行古木材性实验及木梁抗弯的机械吸附蠕变实验。通过木梁抗弯的机械吸附蠕变实验,得到了木材机械吸附蠕变的规律,实验表明,木梁跨中挠度随环境中相对湿度变化上下波动,其中当环境中相对湿度下降时,木梁的跨中挠度增加;当环境中相对湿度上升时,木梁的跨中挠度下降,木梁跨中挠度上升的幅度要大于下降的幅度,因此木梁的跨中挠度会有一部分残余变形,使得木梁跨中挠度整体呈上升的趋势。并且通过实验中设置的对照实验,发现尺寸小的木梁其跨中挠度变化幅度比尺寸大的木梁更大,机械吸附现象更加明显。(2)采用Tsai-Wu准则作为木材的屈服准则,综合考虑了木材的普通蠕变及机械吸附蠕变效应,推导并建立了温湿度变化下木材的弹塑性本构方程,并将其编入有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中,实现对荷载及温湿度变化共同作用下古木结构的有限元模拟。通过有限元模拟结果与实验结果进行对比,验证了本构模型的正确性。(3)利用有限元软件ABAQUS建立了燕尾榫木框架及透榫木框架的短期温湿度变化模型和长期温湿度变化模型。计算分析发现,在短期的荷载及环境中温湿度变化共同作用下,木框架中出现了较大的横纹应力;在长期的荷载及环境中温湿度变化共同作用下两种类型的木框架的额枋跨中挠度均会随时间不断增加,出现了结构性的损伤。利用MATLAB软件对古木框架额枋跨中挠度曲线进行拟合,提出了在荷载及温湿度变化作用下古木框架额枋跨中挠度的计算公式。
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