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《南京林业大学》 2017年
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国产速生材在轻质木结构中的应用研究

张苏俊  
【摘要】:木结构建筑因其舒适性仍是世界各国人们心目中理想的生活和工作场所。速生木材由于其自身性质的缺陷,一般无法直接作为主要结构构件。本文首先对速生杉木和杨木进行改性并进行了相关的试验和研究,然后研究了其在三角屋架屋盖体系、轻型木框架结构以及装配式密排小柱距轻质木框架建筑中的应用。采用低分子酚醛树脂对速生杉木、杨木进行浸渍处理,并对素材和浸渍材进行顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量和抗弯强度测试;对胶合木梁进行抗弯强度和胶合木柱进行轴心受力性能试验,结果表明:(1)浸渍材的力学性能都要优于杉木素材,顺纹抗拉强度提高了14%,顺纹抗压强度提高了10%,抗弯弹性模量提高了13%,抗弯强度提高了11%。同时浸渍材各项力学性能的标准差都相应的减小,有利于杉木应用于结构构件;(2)经过表面浸渍增强材贴面后,速生材胶合木的力学性能有所改善,抗弯强度增加了14%,抗弯弹性模量增加了7%。试验中胶合梁的抗弯破坏都是在两点加载处,表现为断裂和胶层破坏,符合标准中的破坏形式;(3)杉木柱试件在试验加载后期,可以看到柱中有明显的弯曲,杉木柱出现失稳破坏;4根试件的极限荷载均大于理论值,说明规范中稳定系数取值趋于保守。将改性速生材应用于三角形屋架屋盖体系中。首先根据《木结构设计规范》要求对速生杨木檩条、改性速生杨木胶合木三角桁架进行了强度和变形验算;其次采用制图软件UG NX5对屋架进行绘图,并导入有限元软件ANSYS对屋架进行了有限元分析,分析结果显示:(1)檩条采用速生杨木LVL,经计算强度、刚度均满足现行规范要求;(2)屋架弦杆、腹杆均采用改性速生杨木胶合木,经计算强度、刚度均满足现行规范要求;(3)有限元分析结果显示,屋架迎风面弦杆位移最大,对最大位移杆件计算其扰度为3.6mm,小于允许最大挠度5.744mm。利用第二强度理论,可以判断速生改性杨木的最大伸长线应变在极限范围内,屋架结构及截面尺寸满足要求;(4)屋架构件的强度和刚度均满足《木结构设计规范》GB50005-2003要求,速生杨木和改性杨木胶合木能够应用于三角形屋架屋盖体系,并已建试验用房。研究了轻型木框架结构房屋在水平风荷载下扭转性能,并利用改性速生杉木建造了轻型木框架房屋。首先研究了轻型木框架结构房屋剪力墙在水平风荷载作用时内力的计算方法,同时通过有限元软件ANSYS模拟剪力墙对称结构和不对称结构房屋在水平风荷载作用时,由于偏心产生扭矩对房屋剪力墙受力的影响。通过具体实例房屋的有限元分析,研究轻型木框架结构房屋在水平风荷载作用时房屋受力及变形情况。研究表明:(1)当(剪力)墙群重心偏离房屋平面形心较远且风荷载较大时,由于房屋受扭会在各剪力墙中产生较大的水平力,距离剪力墙群重心越远受力越大;(2)当(剪力)墙群重心与房屋平面形心重合时,在水平风荷载作用下,房屋中平行于风向的墙体起到主要的抗剪切作用,且各墙体中的剪力大小与其剪力墙的刚度大小成正比,每片墙体中剪应力分布随着与风荷载作用面距离增大而减小。垂直于风向的墙体中只有风荷载直接作用墙体可以承担少许剪力,其他墙体抗剪作用可以忽略不计;(3)偏心水平风荷载作用下房屋产生扭转变形,墙体中扭转应力的分布规律是距离重心位置越远的墙体扭转应力越大,同一片墙体上扭转应力分布情况是两端扭转应力很小,中间各点扭转应力增大趋于相等,部分剪力墙中应力峰值相比无扭矩时成倍增长;(4)风荷载作用下轻型木框架房屋处于剪切和扭转状态,墙体的破坏不同于一般的剪切破坏。内部平行风向的墙体、风荷载直接作用的墙体、距离房屋形心较远的墙体均为薄弱环节,必须对这些墙体进行抗剪切强度验算;(5)根据当地主频风向,在房屋内部多设置与风向平行的墙体(纵墙),纵墙上应尽量减少开洞,从而避免墙体剪力过大发生剪切破坏;保证楼盖具有足够的刚度以确保有效传递水平荷载;洞口上方与楼盖之间的墙体可以承担和传递剪力,应尽量保留,使剪力墙体现完整性;(6)在轻型木框架房屋设计的时候,尽量使房屋中墙体布置规则,重心与形心重合。在房屋内部多布置与该地区常年主频风向平行的墙体,在平行主频风向墙体的1/3长度范围内多布置垂直于主频风向墙体增强抗剪墙体的整体稳定性。利用改性速生杉木设计建造了装配式密排小柱距轻质木框架房屋并进行有限元分析。首先进行设计计算,再通过有限元分析,探讨了木框架结构在风荷载作用下的受力及位移响应,同时分析了在顺风方向加入横墙之后风荷载作用下结构的内力情况,探讨了顺风横墙对整体结构刚度的影响,得到如下结论:(1)在风荷载作用下横墙的加入明显提高了轻型木框架结构顺风方向的刚度,同时对于垂直风向方向的位移也有显著的抵抗作用,这是由于横墙的加入使得结构更趋于一个整体,横墙与木框架共同作用,故对结构刚度横向及纵向刚度有明显提高;(2)横墙的引入明显降低了风荷载作用下木材的最大应力,横墙引入使得结构形成整体受力,结构的整体性更好;(3)垂直横墙方向的吸力对木框架结构的X方向的位移几乎没有影响,这就更加验证了现场试验加载模拟风荷载而不考虑横向水平作用力的正确性;(4)在垂直横墙的吸力作用下,木框架的应力较无垂直横墙的吸力的框架要稍大,但所求应力结果明显小于材料的承载力。通过对试验房屋施加侧向荷载,测试了房屋的变形能力及受力状况。试验结果表明:(1)结构在侧向荷载作用下,二层楼面处的最大变形仅10.3mm,屋面处最大变形仅5.8mm,卸载后变形能在短时间内基本恢复,基本属于弹性变形,且房屋的层间位移较小。装配式轻质木结构房屋在水平荷载作用下,当侧向位移最大值小于《木结构设计规范》(GB 5005—2003)H/500时,侧向变形基本处于弹性范围之内;(2)由于房屋竖向受力构件上下层之间采用钢连接件现场安装,节点刚性不足,致使房屋整体在受力的分配和传递过程都属于柔性模式;(3)横向墙体在侧向荷载作用下起到了抗侧移的主要作用;(4)因施加的侧向荷载与房屋的形心位置不重合,房屋发生了少许扭转变形;(5)试验过程中未发现主要受力构件出现裂缝或破坏现象,说明采用速生改性杉木建造装配式轻质木结构房屋是可行的,能够满足房屋的正常使用要求。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU366.3;S781

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