体内预应力胶合木梁短期受弯性能研究

摘要

现代木结构建筑主要以胶合木梁和柱等为主要受力构件，胶合木梁的受弯破坏大都是受拉脆性破坏形式，受压区木材强度得不到充分利用。为改善和提高胶合木梁的受力性能，国内外研究人员不断尝试和探索利用金属材料和纤维增强复合材料等对胶合木梁进行增强，并取得了较好的效果。然而经增强后的胶合木梁依然存在如下问题:1）增强材料强度较高，但一般得不到充分利用;2）木梁的极限状态主要受变形控制，其木材强度得不到很好地发挥。而对胶合木梁受拉区施加预应力，可以降低胶合木梁跨中挠度，提高其极限承载力、刚度及延性等，增强材料及木材强度也能得到更充分利用。鉴于上述情况，研究预应力胶合木梁的受弯性能具有重大意义。
　　本文以体内预应力胶合木梁为研究对象，对其开展了受弯试验研究、有限元软件ABAQUS平台上的有限元分析以及基于截面法的理论分析，主要内容包括以下几个部分:
　　(1)从预应力胶合木梁的受弯性能、蠕变及预应力损失等角度，总结和回顾了国内外学者在预应力胶合木梁研究领域的主要工作与成果。
　　(2)以有限元软件ABAQUS为平台，对体内预应力CFRP筋增强胶合木梁受弯试验进行模拟分析，通过试验结果与有限元计算结果的对比，验证有限元分析方法的有效性。
　　(3)对15根胶合木梁的受弯性能进行了试验研究，其中包括1组3根普通胶合木、1组3根直线形有粘结预应力胶合木梁、2组各3根抛物线形有粘结预应力胶合木梁以及3组各1根抛物线形无粘结预应力胶合木梁。结果表明，预应力胶合木梁的破坏模式主要表现为受压屈服破坏，且破坏时木纤维极限拉、压应变均有极大提高;相比普通胶合木梁，有粘结预应力胶合木梁的极限承载力提高了29.9～50.1％，刚度提高了27.2～30.8％，延性系数提高了32.8～48.0％;无粘结预应力胶合木梁极限承载力提高了23.7～32.3％,刚度提高了17.3～20.4％,延性系数提高了24.8～25.6％。
　　(4)以体内预应力胶合木梁为考察对象进行有限元模拟，分析了其破坏模式、荷载-位移曲线以及应力分布，并与试验值进行对比，发现有限元分析软件ABAQUS对体内预应力胶合木梁的模拟分析在极限承载力、抗弯刚度、跨中最终挠度和跨中反拱高度等四个方面均取得较好的效果。
　　(5)对体内预应力胶合木梁的受弯性能进行了理论分析。推导了体内预应力胶合木梁的极限承载力、刚度以及破坏判别模式的计算公式，最后与实验值进行比较，发现结果匹配良好;定义了有效张拉力的上、下限值，并给出了有效张拉力上、下限值的解析解的表达形式;最后分析了有效张拉力与抗弯承载力的关系，发现木材顺纹受压本构关系曲线下降段的力学性能参数是影响体内预应力胶合木梁抗弯承载力与有效张拉力关系的重要因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 木结构概述

1．1．2 大跨木结构工程案例介绍

1．2 预应力胶合木梁研究背景

1．2．1 胶合木特点

1．2．2 预应力胶合木梁研究的意义

1．3 国内外预应力胶合木梁研究现状

1．3．1 国外预应力胶合木梁研究现状

1．3．2 国内预应力胶合木梁研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 体内预应力CFRP筋增强胶合木梁有限元分析

2．1 木材本构模型

2．1．1 弹性阶段本构方程

2．1．2 屈服准则

2．1．3 损伤发展

2．1．4 断裂性能

2．2 木材本构关系在有限元软件ABAQUS中的实现方法

2．3 算例验证：有粘结体内预应力CFRP筋增强胶合木梁受弯试验介绍

2．3．1 试验内容

2．3．2 破坏模式

2．4 体内预应力CFRP筋增强胶合木梁有限元模型概述

2．4．1 模型建立与网格划分

2．4．2 材料参数设置

2．4．3 边界条件和分析步设置

2．4．4 考虑初始缺陷的有限元修正方法

2．5 体内预应力CFRP筋增强胶合木梁有限元计算结果验证

2．5．1 破坏模式

2．5．2 荷载-位移曲线

2．5．3 有限元计算值与试验值对比

2．6 本章小结

第三章 体内预应力胶合木梁短期受弯性能试验研究

3．1 材料物理力学性能

3．1．1 胶合木材性试验

3．1．2 预应力钢绞线材性试验

3．1．3 植筋胶

3．2 足尺试件受弯试验概况

3．2．1 试验主要内容

3．2．2 试验设备

3．2．3 试件设计

3．2．4 试件加工

3．2．5 锚具及锚垫板设计

3．2．6 加载方案

3．2．7 测量方案

3．3 缩尺试件注胶密实性试验

3．3．1 试件设计

3．3．2 注胶过程

3．3．3 注胶密实性试验结果

3．4 足尺试件预应力损失试验及注胶过程

3．4．1 预应力损失测量

3．4．2 摩擦损失

3．4．3 锚固损失

3．4．4 木材短期蠕变损失

3．4．5 注胶过程

3．4．6 注胶效果及竖向胶缝受力结果

3．5 足尺试件受弯试验结果

3．5．1 破坏模式

3．5．2 荷载-位移曲线

3．5．3 跨中截面应变分布

3．6 足尺试件受弯试验结果分析

3．6．1 跨中反拱高度及最终挠度

3．6．2 极限承载力

3．6．3 抗弯刚度

3．6．4 延性系数

3．7 本章小结

第四章 体内预应力胶合木梁短期受弯性能有限元分析

4．1 有限元模型概述

4．1．1 模型建立与网格划分

4．1．2 材料参数设置

4．1．3 边界条件和分析步设置

4．1．4 考虑初始缺陷的有限元修正方法

4．2 有限元计算结果

4．2．1 破坏模式

4．2．2 荷载-位移曲线

4．2．3 应力分布

4．3 有限元计算值与试验值对比

4．4 张拉控制力对体内预应力胶合木梁受弯性能的影响

4．5 本章小结

第五章 有粘结体内预应力胶合木梁短期受弯性能理论分析

5．1 材料本构模型

5．1．1 木材本构模型

5．1．2 预应力筋本构模型

5．2 基本假定与理论分析模型

5．2．1 基本假定

5．2．2 理论分析模型

5．3 理论分析公式推导

5．3．1 极限弯矩求解

5．3．2 破坏模式的判别

5．3．3 理论计算值与试验值对比

5．4 有效张拉力的确定

5．4．1 界限张拉力(下限)

5．4．2 屈服张拉力(上限)

5．4．3 抗弯承载力与有效张拉力的关系

5．4．4 承载能力极限状态下预应力筋内力与有效张拉力关系

5．5 抗弯刚度

5．5．1 抗弯刚度计算公式

5．5．2 理论计算值与试验值对比

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢