结构用重组竹及其复合梁的力学性能研究

摘要

重组竹是我国最主要的竹质复合工程材料之一，其高效的制造方式和优良的力学性能使其在建筑结构中具有良好的应用前景。但由于缺乏重组竹在建筑结构中的系列研究，目前其仍主要应用于地板、家具、装饰等非结构应用领域中。开展重组竹材料及其作为结构构件的力学性能研究，能够为制定重组竹材料力学性能的可靠性评价体系以及其作为主要结构构件的工程设计提供基础理论依据，对推广重组竹的应用领域、提高其附加值具有重要意义。
　　本研究结合试验研究、数值模拟和理论分析方法，在重组竹材料的力学方面，开展了其影响因子、抽样技术、特征值评级技术和设计值确定方法的研究;在重组竹用作梁结构构件方面，针对重组竹相对模量低的特性，研发了一种新型钢筋重组竹复合梁，分析了其钢筋与重组竹胶粘界面的力学性能以及其足尺试件的抗弯承载性能。本文的主要研究结果归纳如下:
　　(1)开展了重组竹材料的拉、压、弯、剪和硬度力学测试，进行了各力学性能的影响因素分析，得到了密度、竹束单元形式、加载方向对重组竹的顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹剪切强度、硬度的影响规律，以及硬度与其它力学性能的线性相关性。
　　(2)通过自行编制计算程序和多参数数值模拟，进行了重组竹力学性能抽样误差的影响因素分析，得到了概率分布类型、变异系数、抽样样本试样数对其力学性能统计平均值和标准差所对应抽样误差的影响规律，建立了各抽样误差的的计算模型。
　　(3)通过自行编制计算程序和多参数数值模拟，阐明了抽样误差置信度的计算原理。在5％误差精确度水平下，得到了概率分布类型、变异系数、抽样误差置信度对最小抽样试样数的影响规律，建立了最小抽样数的计算公式，并结合实测数据给出了重组竹各力学性能最小抽样数的建议值。
　　(4)通过自行编制计算程序和多参数数值模拟，分别基于非参数法和参数法，阐明了重组竹力学性能（强度和弹性模量）特征值置信度的计算原理，得到了概率分布类型、变异系数、抽样样本试样数、特征值置信度对力学性能特征值的影响规律，提出了重组竹强度特征值、弹性模量特征值的确定方法，并结合试验数据给出了重组竹各力学性能的特征值指标。
　　(5)通过自行编制计算程序和多参数数值模拟，基于可靠度分析方法，得到了不同概率分布类型、拟合数据点、荷载类型、荷载比值下重组竹各强度可靠度指标与抗力分项系数之间的关系，提出了重组竹强度设计值的确定方法，并对比分析了重组竹、兴安落叶松规格材、Q235钢材的相对设计值大小。
　　(6)通过钢筋重组竹试件的抗拔测试，得到了重组竹的预制密度、竹束单元处理方式、钢筋类型（直径和纹理）等因素对钢筋重组竹抗拔性能的影响规律。建立了钢筋-重组竹界面连接滑移的理论计算模型，并推导了重组竹正应力和胶层剪切应力的计算公式以及其沿钢筋埋入深度的变化规律。
　　(7)通过钢筋重组竹梁的足尺抗弯测试，得到了竹束单元处理方式、钢筋直径对钢筋重组竹复合梁抗弯承载性能的影响规律，建立了钢筋重组竹复合梁的极限承载力和刚度的理论计算模型，揭示了重组竹单元钢筋单元和重组竹单元对整个复合梁承载性能的贡献机制。
　　综合本项研究的研究结果可以得出这样的结论:如何科学合理地确定重组竹材料力学性能的特征值和设计值指标是一个系统工程，涉及到科学试验、数理统计、数值模拟和可靠度设计等研究内容，本研究所建立的抽样技术、特征值评价技术和设计值确定方法这一整套结构用重组竹材料力学性能的可靠性评价技术体系，将为其提供理论支撑。本研究通过钢筋重组竹试件的抗拔和足尺抗弯测试研究，验证了基于一次冷压成型工艺开发的新型钢筋重组竹复合梁具有可行性，能够解决传统重组竹梁极限承载力和刚度低的问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 研究现状

1．2．1 重组竹制造工艺的发展研究现状

1．2．2 重组竹材料的力学性能研究现状

1．2．2 重组竹结构构件的研究现状

1．3 研究目标和主要研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．4 研究技术路线

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 物理力学性能测试方法

2．2．3 统计方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 力学性能统计结果

2．3．2 硬度与各强度间的关系

2．4 小结

第三章 结构用重组竹力学性能的抽样方法

3．1 引言

3．2 分析方法

3．2．1 随机抽样样本的生成

3．2．2 抽样误差计算

3．2．3 抽样误差的置信度统计

3．3 结果与讨论

3．3．1 抽样误差的影响因素

3．3．2 最小抽样试样数的影响因素

3．3．3 结构用重组竹最小抽样试样数的确定

3．4 小结

第四章 结构用重组竹的强度特征值

4．1 引言

4．2 分析方法

4．2．1 随机抽样样本的生成

4．2．2 非参数法下强度特征值置信度的计算

4．2．3 参数法下强度特征值置信度的计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 基于Normal随机样本下的强度特征值确定

4．3．2 基于Lognormal随机样本下的强度特征值确定

4．3．3 基于2-P-Weibull随机样本下的强度特征值确定

4．3．4 不同随机样本下的强度特征值比较

4．3．5 结构用重组竹的强度特征值确定

4．4 小结

5．1 引言

5．2 分析方法

5．2．1 随机抽样样本的生成

5．2．2 弹性模量特征值置信度的计算

5．3 结果与讨论

5．3．1 基于Normal随机样本下的弹模特征值确定

5．3．2 基于Lognormal随机样本下的弹模特征值确定

5．3．3 基于2-P-Weibull随机样本下的弹模特征值确定

5．3．4 不同随机样本下的弹模特征值比较

5．3．5 结构用重组竹的弹模特征值确定

5．4 小结

第六章 结构用重组竹的强度设计值及其可靠度分析

6．1 引言

6．2 分析方法

6．2．1 重组竹短期强度的统计

6．2．2 可靠度分析方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 结构用重组竹强度统计参数的选取

6．3．2 结构用重组竹可靠度指标的影响因子

6．3．3 结构用重组竹的强度设计值确定

6．4 小结

第七章 钢筋重组竹的抗拔承载性能

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．1 钢筋重组竹抗拔试件的制备

7．2．2 钢筋重组竹抗拔试件的设计

7．2．3 抗拔试验方法

7．3 试验结果

7．3．1 破坏模式

7．3．2 抗拔滑移承载力和刚度

7．3．3 荷载-应变关系

7．4 钢筋-重组竹界面粘结滑移分析

7．4．1 理论计算模型

7．4．2 正应力和剪切应力的拟合

7．5 小结

第八章 钢筋重组竹复合梁的制备及其抗弯承载性能

8．1 引言

8．2 材料与方法

8．2．1 钢筋重组竹复合梁的制备

8．2．2 钢筋重组竹复合梁试件的设计

8．2．3 试验方法

8．3 试验结果

8．3．1 破坏模式

8．3．2 极限承载力和刚度

8．3．3 荷载-应变关系

8．4 理论模型

8．4．1 极限承载力的预测

8．4．2 变形的预测

8．5 小结

9．1 结论

9．2 创新点

9．3 展望和建议

参考文献

导师简介

在读期间的学术研究

致谢