正交层板胶合木结构受力性能及设计计算方法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiang43
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采用正交层板胶合木(CLT)制作楼、屋盖构件和剪力墙的多、高层木结构称为正交层板胶合木结构。正交层板胶合木及结构体系的研发可追溯到20世纪90年代,本世纪第二个10年中期始纳入各国木结构设计标准,也包括我国木结构设计标准GB 50005—2017。正交层板胶合木组坯方式多变,其层板的材质等级、层板的几何尺寸和层数的选择自由程度很高,因此正交层板胶合木构件和连接的承载力和刚度计算较均质材料是更为复杂的问题。为研究正交层板胶合木构件、连接和结构体系的受力性能和计算方法,本文系统地开展了铁杉正交层板胶合木平置受弯构件、轴心受压构件、螺栓连接、螺钉连接和剪力墙的受力性能试验;提出了基于层板的力学性能指标的正交层板胶合木构件及连接承载力的有关计算方法和计算式;提出了基于连接承载力的剪力墙抗侧承载力的分析模型和计算方法;还对多、高层正交层板胶合木结构进行了抗震性能分析。主要研究内容如下:开展了铁杉正交层板胶合木平置受弯构件试验研究,获得了试件的破坏模式、抗弯承载力和抗弯刚度。测定了所用正交层板胶合木横向层板的滚剪强度和滚剪模量。对正交层板胶合木受弯构件进行了有限元分析,发现增加平置受弯构件的剪跨比和横向层板的宽厚比可避免发生横向层板滚剪破坏,提高构件截面的抗弯承载力和抗弯刚度;增大侧立受弯构件的剪跨比和层板层数可提高构件截面的抗弯承载力和抗弯刚度。基于拼合梁理论推导了任意层数正交层板胶合木构件平置受弯和侧立受弯的承载力和刚度计算式。开展了铁杉正交层板胶合木构件轴心受压试验研究,揭示了其稳定性能和破坏机理。建议采用γ系数法计算正交层板胶合木构件的有效抗弯刚度和有效长细比,并提出了正交层板胶合木轴压构件稳定系数计算式,通过回归分析确定了计算式中的材料系数值。试验结果验证了所提出的稳定系数计算式的正确性与适用性。开展了木—CLT双剪螺栓连接和钢—CLT螺钉连接受力性能试验。试验发现螺栓连接的塑性较好,自攻螺钉连接的塑性较差且不具有明显的屈服点,连接件的材性和规格对连接的性能影响较大。提出了等效销槽承压应力分布的概念以及正交层板胶合木螺栓连接和螺钉连接承载力和屈服模式的计算方法和计算式。试验结果与所提计算式计算结果一致,验证了计算式的正确性。开展了单块板、双拼板和三拼板正交层板胶合木剪力墙抗侧性能试验研究,得到了其受力性能、破坏模式和滞回曲线。根据正交层板胶合木销连接试验结果建立销连接的恢复力模型,利用ABAQUS中用户单元子程序(VUEL)将连接的恢复力模型输入到剪力墙的有限元模型中,并进行了有限元参数分析,得到了不同连接件性能、hold-down连接刚度和剪力墙宽高比对抗侧性能的影响。根据试验结果和有限元分析结果建立了剪力墙的计算模型,提出了基于连接承载力的单块板和多拼板剪力墙抗侧承载力下限和上限值的计算方法。建立了正交层板胶合木结构有限元模型,对不同层数的正交层板胶合木结构开展了有限元动力特性分析,获得了结构的一阶模态振型和自振周期。对正交层板胶合木结构进行了推覆分析,得到了结构的非线性地震反应,揭示了结构在侧向荷载作用下的传力路径和受力机理,采用改进能力谱法评估了结构在不同地震强度、不同设计地震分组和场地类型条件下的抗震性能,并提出了正交层板胶合木结构抗震设计方法建议。
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