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单板层积材弯曲蠕变特性及破坏机理的研究

贾娜  
【摘要】: 木材以及木质复合材料的流变学特性决定了在长期载荷作用下材料的应变将随时间而增加,对这种蠕变特性的研究是木材复合材料科学的前沿课题。近年来,木材尤其是结构材的供需矛盾日益突出,木质人造结构材的开发利用因此受到了国内外的普遍重视。单板层积材(LVL)以其优良的物理力学性能成为大径级木质结构材的替代品,被广泛用于大型圆拱建筑的桁架和木质结构的梁柱、混凝土模板等。LVL梁柱结构在长期受载时,由蠕变引起的附加变形效应会影响结构的稳定性和耐久性,甚至会引起结构的突然倒塌。研究LVL的蠕变性能,掌握其蠕变变形的规律,为工程结构设计提供理论依据,并可以通过预先加入的结构预调装置等措施,防止结构蠕变变形产生的破坏,对LVL在建筑结构领域中的应用有重要的意义。 用实验的方法,研究了桦木和椴木两种不同树种LVL的基本物理力学性能和破坏形式,试验结果表明:两种树种的LVL均具有良好的物理力学性能,桦木LVL各项力学性能指标均优于椴木LVL;LVL弯曲破坏作为结构破坏的主要形式为断裂破坏、开裂破坏和混合破坏;而剪切造成的结构破坏,以单侧开裂破坏为主要形式。 在基本假设的基础上,用粘弹性理论对LVL的流变学特性进行了分析,并在此基础上建立了桦木和椴木LVL不同应力水平下弯曲蠕变的Burgers模型。对桦木和椴木LVL进行30~45天的中短期蠕变试验,试验采用弯曲蠕变的形式,应力水平分别取其极限强度的40%、50%和60%,蠕变试验结果表明在试验时间范围内,该模型可以精确的描述LVL的短期蠕变变形。 为了建立LVL长期承载下的蠕变模型,对Burgers模型进行改良,改良后的Burgers模型,粘性变形部分以指数形式表达,提高了模型的拟合精度,并可以用来预测长期载荷下的蠕变变形。 在改良的Burgers模型中加入Regel元素,构成Burgers-Regel模型,可以模拟蠕变变形的所有阶段,直至蠕变破坏。引入突变理论中的尖点突变对蠕变破坏机理进行了分析,分析指出,蠕变破坏的发生是由渐变到突变的过程。势函数中的控制变量决定了LVL的蠕变变形最终趋于稳定,还是将导致材料或结构破坏。


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