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木材水分循环变化对木桁架齿板连接节点性能影响的研究

郭伟  
【摘要】: 木结构房屋坐落在自然环境中,其木材含水率总处于10%-18%的动态平衡状态中,大气水分含量的不断变化影响木结构连接性能。为此,国外很多学者相继关注齿板连接性能的水分效应,纷纷对其进行研究,我国关于齿板连接水分效应方面的研究尚处于空白。研究轻型木结构桁架齿板连接性能与水分循环的关系对提高轻型木结构房屋使用安全性、延长使用寿命、改进连接质量具有重要意义。 本论文通过对恒定水分状态及四种水分循环变化状态下(温度均为21°C,相对湿度分别在90%RH与40%RH,90%RH与80%RH,40%RH与80%RH循环状态和40%RH恒定状态四种水分循环水平变换,循环周期分别为0、1、2、4四种)节点连接性能的测试,分析齿板尺寸、齿板构型、放置时间和水分循环状态下水分循环水平、循环周期、齿板嵌入深度、齿板拔出量对齿板节点极限拉伸载荷、位移、刚度和破坏形式等力学性质的影响,利用Foschi三参数模型拟合载荷-位移曲线,并对木材与板齿作用机理和齿板拔出量对连接性能影响机理进行分析和探讨。 主要结论如下: 1.国产兴安落叶松(Larix gmelinii)齿板节点拉伸强度和初始刚度均高于南方松(Southern Pine)齿板节点,齿板拔出、齿板断裂和木材破坏是主要的破坏形式,两树种齿板节点的破坏形式基本相同。 2.AA方向(载荷方向、齿板长度以及木材纹理走向一致)是四种齿板构型中承受拉伸载荷能力最好的方式。齿板节点极限拉伸载荷随着齿板长度、齿板宽度和齿板面积的增加而增加,齿板宽度增加对提高齿板节点极限拉伸载荷更为有效。综合载荷与位移两个主要指标,齿板试件压制后适宜进行力学测试的放置时间为7至21天。 3.齿板嵌入深度对SPF规格材齿板节点的极限拉伸载荷和初始刚度都具有重要影响,嵌入深度越深,节点的极限拉伸载荷和初始刚度越高,但初始刚度随齿板-木材间隙不断增大而降低的幅度略低于极限拉伸载荷降低的幅度;齿板嵌入深度分别与节点的极限拉伸载荷、初始刚度间具有很好的相关性,决定系数分别为0.99和0.96。 4.经过水分循环作用后,拉伸测试时北美SPF(Spruce-Pine-Fir)规格材齿板试件密度为0.35-0.50g/cm3,含水率为7.90%-15.28%,极限拉伸载荷在13.88-28.52KN之间,0循环极限拉伸载荷平均为23.10KN,略低于国产落叶松齿板节点的极限拉伸载荷,27.09KN;最大拉伸载荷时位移0.63-2.78mm,临界滑移刚度25.19-53.43KN/mm。极限拉伸载荷与位移呈现较好的线性相关性,相关系数R为0.69,齿板拔出为北美SPF规格材齿板节点主要破坏模式。 5.经过水分水分循环作用后,齿板拔出量均呈现出增加趋势,增加幅度从大到小依次为90%RH至80%RH循环水平40%RH至80%RH循环水平90%RH至40%RH循环水平40%RH恒定水平,但0循环对齿板拔出量基本没有影响,且随着循环周期的增加齿板拔出量趋于恒定,齿板拔出量大小主要受前两个循环的影响比较大。木材自身干缩湿胀、木纤维相对齿板发生移动是产生齿板拔出现象的主要原因;经过两个周期水分循环作用后齿板拔出量趋于恒定的现象主要与木材自身的吸湿滞后性造成的木材纤维上的自由羟基数量降低,吸纳水分子的空间减小,纤维对水分变化的反应灵敏性被钝化,木纤维受水分循环变化作用下相对位移增加的可能性越来越小有关。 6.经过四种水分循环水平作用后,齿板节点的极限拉伸载荷均呈现出下降趋势,但下降幅度各不相同,从大到小依次为:90%RH至40%RH循环水平40%RH至80%RH循环水平40%RH恒定水平90%RH至80%RH循环水平;水分循环变化幅度越大、循环次数越多对节点的极限拉伸载荷削弱作用越大。 7.经过四种水分循环水平作用后,齿板节点的临界滑移刚度均呈有所下降,下降幅度各不相同,从大到小依次为:40%RH至80%RH循环水平40%RH恒定水平90%RH至80%RH循环水平90%RH至40%RH循环水平。水分循环作用对节点临界滑移刚度具有削弱作用,水分循环次数越多对齿板试件的临界滑移刚度削弱程度越大。 8.经过水分循环作用后(除21℃,40%RH恒定状态第4循环外),齿板节点的初始刚度均随着循环周期的增长而降低,在第1个水分循环周期作用后下降的比较大,之后均又略有所恢复,下降幅度及变化趋势与临界滑移刚度变化趋势一致。 9.经过水分循环作用后,齿板节点的极限拉伸载荷与初始刚度均随着齿板拔出量的增加而降低,其中极限拉伸载荷与齿板拔出量间存在较高的相关性,R2为0.89。 10.Foschi三参数非线性模型可以很好拟合国产落叶松和北美SPF规格材齿板节点的拉伸载荷-位移实验曲线,并可得到齿板节点的初始刚度值;X射线可以快速准确地确定齿板拔出量的大小。


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