重组竹箱形截面轴心压杆受力性能研究

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竹子生长周期短,竹材具有韧性好、强重比高等特点,自古以来都是用于结构建造的重要材料,但主要以原竹为主。通过特殊工艺,将竹材加工形成的重组竹,大大增加了竹材的耐候性和耐久性,材料强度也得到提升,有“竹钢”之美誉。目前,重组竹以板材为主,主要使用场景为室内外地板,如将重组竹板材通过一定的方式进行连接形成如箱形、工字形截面的构件,并应用于建筑结构领域,可以充分发挥重组竹的优势,获取良好的经济效益和社会效益。目前,国内针对重组竹构件层面的研究比较少,相关构件的计算方法尚未建立,这在较大程度上限制了重组竹在建筑结构领域的应用。本文源于国家十三五重点研发计划项目“低层木竹结构体系研究及工程示范”,基于重组竹优良的力学性能,突破传统木结构体系实心构件的设计思想,通过理论推导、试验研究、数值模拟和对比分析,对重组竹箱形截面轴心压杆工作性能进行探索性研究。本文主要研究工作如下:(1)基于薄板屈曲理论,采用正交异性板模型,推导了重组竹板材在四边简支、单向均匀受压工况下的的屈曲临界应力计算公式,并采用有限元计算结果进行验证。(2)对10个顺纹小试件、10个横纹小试件进行材性试验;对6种宽厚比、两种连接方式,共计35个轴心受压试件进行局部稳定试验研究。分析两种连接方式下试件的破坏模式,对重组竹箱形柱连接方法进行评价;根据试验结果及理论公式计算结果进行分析,对重组竹箱形截面轴心受压试件的宽厚比限值提出建议。(3)对7种长细比,共计35个轴心受压试件进行整体稳定性能试验研究。获取了试件破坏模式和极限承载力;将所有初始缺陷等效为初偏心,推导了各试件的初始偏心值。(4)考虑几何初始缺陷,对整体稳定性能试验的35个试件进行数值模拟研究。根据足尺试验结果的材性数据,对比不同方法的模拟结果,提出重组竹材料的本构模型;基于有限元结果与试验结果的对比,对有限元方法进行评价。(5)将整体稳定的试验结果与国内外主要木结构设计规范关于轴心受压构件整体稳定计算方法结果进行比较,并对将这些方法用于重组竹箱形截面轴压构件整体稳定承载力计算的适用性进行评价。
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