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结构用竹质工程材料的蠕变特性研究

马欣欣  
【摘要】:蠕变性能是决定材料能否在建筑结构中应用的一个重要指标。随着竹质材料在建筑中的迅速发展,其稳定承载力分析成为关键性问题。本文的主要研究目标是研究并建立竹束单板层积材与竹集成材的蠕变本构模型,获取相应的容许应力值,预测材料的长期承载力水平。研究内容:首先对竹材在径向方向上的弯曲蠕变性能变化进行分析,探讨承载力方向和维管束含量对各层蠕变性能的影响。在此基础上,选择竹束单板层积材和竹集成材这两种典型竹质工程材料进行研究,设定不同温湿度条件,运用时温等效原理与机械吸附蠕变模型对两种材料分别进行分析,探讨温湿度变化对弯曲蠕变性能的影响。最后,进行为期一年的蠕变和恢复试验,分析不同应力水平与材料蠕变的相关性,获得两种材料在正常使用环境下的蠕变规律,建立本构模型,进行长期预测,为竹质工程材料在建筑结构中的应用提供相应的理论基础。论文的主要研究结论如下:(1)对竹材进行了不同加载方向的弯曲蠕变测试,分别为竹青面受压和竹黄面受压。两者相比,竹黄面受压时的抗蠕变性能较好。竹青面受压时,最外层抗蠕变性能最好,初始挠度及蠕变增长率均最小。竹黄面受压时,初始阶段,最外层的初始挠度最大,这与薄壁组织的泡沫结构有关;第二阶段,最外层的增长率小于中层和内层,表明抗蠕变性能最好的仍然是最外层。此阶段薄壁组织结构被破坏,纤维对蠕变贡献率最大。与竹青面受压方式相比,竹黄面受压时的抗蠕变性能较好。(2)垂直加载的竹集成材蠕变规律主要与胶合界面对蠕变的贡献率有关,而水平加载的蠕变规律主要与横截面上纤维的均一性有关。(3)采用时温等效原理预测了竹束单板层积材与竹集成材10年范围内的蠕变特征。并得到从含水率绝干到30%的范围内的活化能,范围在47Kcal/mole到76Kcal/mole之间。时间-温度-含水率主曲线可以表征材料在不同环境中的黏弹性行为。(4)竹束单板层积材的机械吸附蠕变变化主要由解吸过程导致蠕变量增大;而竹集成材由吸湿过程导致蠕变量增大。原因一方面在于材料自身的特点不同(包括单元大小及纤维取向等),一方面与材料的吸湿特性有必然联系。竹束单板层积材与竹集成材的机械吸附蠕变挠度的收敛值分别为1.293mm和3.363mm。(5)竹束单板层积材与竹集成材的弯曲蠕变可以分为三个阶段:弹性变形、黏弹性变形和黏性变形。用Burgers模型可以准确的模拟两种板材的前两个阶段。竹束单板层积材的抗蠕变性能优于竹集成材。竹束单板层积材和竹集成材的的容许应力值分别为最大载荷的16.6%和19.05%。


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