薄壁钢约束方木柱偏心受压力学性能研究

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随着我国国家政策的制定和规范化的标准执行,木结构的发展十分迅速。木材作为一种材料,具有很多质量缺陷,包括天然缺陷、生物危害缺陷和加工缺陷,木材内木质化组织导致了木材在顺纹和横纹方向抗压强度和抗剪强度有着显著的差异,使传统的木结构的应用受到了限制。然而钢材具有各向同性和材质均匀等诸多优点,因此,国内外学者提出用钢材约束木柱的概念,用钢材来限制木材的横向变形,用木材来限制钢材的局部屈曲,以便于提高传统纯木柱的受力性能,但主要开展对组合木柱的轴心受压性能研究,对组合柱偏心受压破坏过程、破坏模式、受力性能和相应的计算分析方法有待于研究。鉴于此,本文基于课题组钢木组合受力性能研究,采用薄壁钢约束方木柱,用高强度螺栓对拉,使得组合木柱在受力的状态下,充分的利用了钢材的高强的抗拉强度,让薄壁钢筒和方木柱能协调变形。为全面研究薄壁钢约束方木柱在偏心受压时的力学性能,本文主要开展如下研究工作:(1)木材及钢材基本材料力学性能试验对本次试验所需要的材料进行力学性能试验。首先进行了木材的材性试验,整理实验数据获取了木材纵向、径向和弦向三个主方向的泊松比、弹性模量、屈服抗压强度和极限抗压强度;参照现有规范,计算出木材三个剪切面上的剪切模量。通过钢材的拉伸试验,测试获取了薄壁钢材抗拉试样的屈服抗拉强度和极限抗拉强度。(2)薄壁钢约束方木柱偏心受压性能试验偏心受压试验采用了9根薄壁钢约束方木柱,3根纯木柱。在试验中获取了各个试件的破坏过程,分析试件失效模式,整理试件极限承载力,同时获取了各个试件荷载-位移和荷载-应变数据。分析了薄壁钢约束方木柱在偏心距和长细比两种因素下的荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,同时也分析了薄壁钢约束方木柱偏心受压的极限承载力、延性系数、纵向刚度以及工作机理。分析结果表明在相同长细比的条件下,薄壁钢约束方木柱受到了偏心距的影响,即偏心距越大薄壁钢约束方木柱极限承载力下降29%-36%、纵向刚度下降9%-31%、延性系数上升14%-92%;在相同的偏心距的条件下,薄壁钢约束方木柱长细比越大薄壁钢约束方木柱极限承载力下降5%-17%、纵向刚度下降9.5%-33%,延性系数上升9%-69%。对比分析表明偏心距因素比长细比因素对薄壁钢约束方木柱的力学性能影响较大。此外,本文还对比了纯木柱和薄壁钢约束方木柱在偏心受压条件下的力学性能,试验表明由于方木柱所受薄壁钢主动围压的约束效果,使得薄壁钢约束方木柱比纯木柱表现出更优良的力学性能。(3)薄壁钢约束方木柱偏心受压有限元模拟分析为进一步研究薄壁钢约束方木柱的偏心受压力学性能,为后续分析薄壁钢约束方木柱计算分析方法奠定基础,本文将运用abaqus有限元分析软件,建立了薄壁钢约束方木柱的数值分析模型,对薄壁钢约束方木柱的偏心受压性能进行分析。根据有限元模拟计算分析,更进一步研究了长细比和偏心距两种因素对薄壁钢约束方木柱的力学影响,数值模拟结果与薄壁钢约束木柱偏心受压试验结果相吻合。(4)薄壁钢约束方木柱偏心受压承载力计算根据方木柱在各个国家设计规范中的偏心受压计算公式,分析了规范中计算公式采用是线性理论,表明方木柱承载力计算方法应采用非线性理论,提出方木柱承载力计算公式。参考现有文献中的钢管混凝土偏心受压承载力计算公式,分析薄壁钢约束方木柱的极限承载力极限平衡法和统一理论法的计算方法。本文采用统一理论法推导出偏心距和长细比的折减系数,并拟合出相关折减系数曲线公式,最后将极限平衡法和通论统一法计算数据与试验数据对比。
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