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兴安落叶松规格材强度性质的基础研究

赵秀  
【摘要】: 我国轻型木结构房屋的发展直到21世纪初才开始,对现代木结构房屋及其材料的基础研究工作还很薄弱。国家标准中规格材力学性质的强度特征值和设计参考值是由无疵小试样测试值推算而来,为了安全起见,在实际的结构设计计算中,要将强度值乘上一个远小于1的安全系数,其结果是过多地浪费了材料。开展兴安落叶松规格材强度性质的基础研究,能够为制定规格材强度性质的静态测试标准及规格材力学性能评价技术体系提供理论依据,对推广兴安落叶松在木结构建筑方面的应用、提高其附加值具有重要意义。 本研究采用美国材料测试协会(ASTM)的标准D4761-05对兴安落叶松三种尺寸(40mm×65mm×4000mm、40mm×90mm×4000mm、40mm×140mm×4000mm)的四个等级(Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc)规格材(共计4806根),进行了抗弯弹性模量(MOE)、抗弯强度(MOR)、顺纹抗拉强度(UTS)和顺纹抗压强度(UCS)测试,并对测试结果进行了分析。采用非参数和参数法估计强度特征值,并对比分析了各强度性质与正态分布、对数分布和威布尔分布的拟合优度。基于最弱链理论,采用回归分析法得到了规格材强度性质的尺寸效应。通过回归分析建立了抗弯弹性模量与抗弯强度的关系,以及抗弯强度、抗拉强度及抗压强度两两之间的关系,并采用相对误差分析法考察了其预测精度。采用蒙特卡洛方法模拟建立规格材强度整体累积分布的抽样方案,重点分析了样本容量和抽样截取累积概率水平对抽样误差的影响。主要结论如下: 1.按照国际惯例,通常以非参数法估计得到的结果作为规格材强度特征值。本试验条件下得到的兴安落叶松规格材强度特征值如下:MOE:40mm×65mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc等规格材分别为15792MPa,14181MPa,13746MPa,13309MPa;40mm×90mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc等规格材分别为14122MPa,12114MPa,12545MPa,12197MPa;40mm×140mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为14814MPa,12951MPa,14407MPa,14974MPa。MOR:40mm×65mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为22.34MPa,16.24MPa,16.66MPa,17.33MPa;40mm×90mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为24.72MPa,18.60MPa,17.59MPa,13.14MPa;40mm×140mm的Ⅰc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为22.82MPa,20.62MPa,16.03MPa。UTS:40mm×65mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为14.53MPa,9.93MPa,10.65MPa,8.29MPa;40mm×90mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为16.14MPa,13.03MPa,11.43MPa,6.63MPa;40mm×140mm的Ⅰc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为14.83MPa,10.36MPa,8.19MPa。UCS: 40mm×65mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为23.61MPa,24.81MPa,23.28MPa,17.60MPa;40mm×90mm的Ⅰc、Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为28.04MPa,22.35MPa,22.27MPa,18.08MPa;40mm×140mm的Ⅰc、Ⅲc、Ⅳc规格材分别为26.24MPa,21.23 MPa,15.72 MPa。 2.对于抗弯强度而言,40mm×65mm和40mm×90mm的Ⅰc等规格材与威布尔分布拟合优度最高,Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc等与对数分布拟合优度最高;而40mm×140mm的三个等级(Ⅰc、Ⅲc、Ⅳc)规格材均与对数分布拟合优度最高。对于顺纹抗拉强度来说,除40mm×65mm的Ⅰc等规格材与威布尔分布拟合优度最高之外,其它均与对数分布拟合优度最高。对于顺纹抗压强度,40mm×65mm的Ⅰc等规格材与正态分布拟合优度最高,Ⅱc、Ⅲc、Ⅳc等与对数分布拟合优度最高;40mm×90mm的Ⅱc等规格材与威布尔分布拟合优度最高,其它等级均与对数分布拟合优度最高;40mm×140mm的Ⅰc、Ⅲc等规格材与对数分布拟合优度最高,Ⅳc等与威布尔分布拟合优度最高。 3.对于抗弯强度,Ⅰc等规格材的尺寸效应SRb=0.43;Ⅲc等规格材的尺寸效应与百分位数的关系为SRb=0.27-0.09PMOR。对于顺纹抗拉强度,Ⅰc等规格材的尺寸效应SWt=0.33,Ⅲc等规格材的尺寸效应与百分位数的关系为SWt=-0.36PUTS+0.23。对于顺纹抗压强度,Ⅲc等规格材的尺寸效应SAc=0.06,Ⅰc等规格材尺寸效应与百分位数的关系为SAc=0.15-0.06 PUCS。表明不同等级规格材的尺寸效应存在差异。 4. MOE与MOR之间为线性关系,决定系数为0.46,MOR=0.0039MOE-10.85。MOR与UTS之间的关系可用幂函数表达:UTS=0.34MOR1.16;当MOR48.3MPa时,UTS与MOR的比值为0.63。UCS/MOR与MOR/UCS以及UCS/UTS与UTS/UCS的回归方程不存在可逆的关系,需根据变量选择预测模型;其中UCS与MOR的关系可表达为:UCS=5.14MOR0.54,MOR=1.66UCS0.09;UCS与UTS的关系为UCS=8.33UTS0.48, UTS=0.02UCS1.95。 5. MOR、UTS和UCS,在50%、75%、95%置信水平下,三个总体(T:三个尺寸规格材所有等级的单一强度性质的数据;A:40mm×90mm规格材所有等级的单一强度性质的数据;C:40mm×90mmⅠc等规格材单一强度性质的数据)的抽样误差随着样本容量增加而逐渐减小,最后趋于恒定。通过对比三个总体(T、A、C)误差与样本容量的关系曲线,表明虽然三个总体的变异程度不同,但可以在同一个置信度下对三个总体进行模拟与估计。假定强度性质服从威布尔分布,建立了50%、75%、95%三个置信度下误差与样本容量倒数平方根的回归方程;进而得到了估计三个总体(T、A、C)的强度性质(MOR、UTS、UCS)特征值所需最小样本数,分别为MOR:142、127和88;UTS:158、183和104;UCS:57、60和29。


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