旋切板胶合木的蠕变及其对结构稳定性的影响

论文摘要

旋切板胶合木（Laminated Veneer Lumber, LVL）是一种常见的工程木产品（Engineered Wood Product）,因其良好的力学性能而广泛应用于建筑结构。蠕变是木材的显著特点之一,因木材蠕变产生的长期变形对结构工作性能的影响是极为重要的。对大跨度木结构而言,稳定承载力分析是一个关键问题,尤其是考虑木材的蠕变影响后,该问题更为复杂,使得木结构表现出不同于其它材料的结构特性。目前,对于木结构的长期荷载效应和长期刚度尚缺乏深入系统的研究,木结构因蠕变导致的屈曲研究尚属空白。因此,开展旋切板胶合木的蠕变及其对结构稳定性影响的研究便具有重要的理论意义与实用价值。本文首先对LVL开展了蠕变试验研究。在哈尔滨地区正常使用的室内环境条件下,分别进行了抗拉和抗压蠕变试验研究。拉、压蠕变试验均有三个应力水平,分别为LVL短期强度的20%、40%和60%。蠕变试验持续观测一年,获得了LVL在正常使用环境下的蠕变规律。通过将试件的变形-时间曲线转化为相对蠕变-时间曲线,得到了LVL在试验应力水平范围内蠕变与应力水平成正比的关系,并建立了LVL的蠕变本构模型,开发了用ABAQUS计算蠕变的用户材料子程序UMAT。在此基础上,针对木结构的长期变形和蠕变对木结构拱和网壳稳定性的影响进行了数值模拟研究。对基本构件的长期刚度和长期变形进行了系统研究。研究了周期荷载时间系数和其周期对基本构件长期变形的影响规律。通过对比,研究了有关国家木结构设计规范关于计算长期变形的处理方法,提出了完善我国木结构设计规范关于长期变形的计算方法。研究了木拱和单层三向网格木网壳的蠕变屈曲和蠕变对结构长期刚度的影响。将荷载水平作为无量纲化的荷载参数,通过研究不同结构参数和荷载参数的拱和网壳,得到了结构的荷载水平-蠕变屈曲临界时间的规律。结构发生蠕变屈曲的临界时间仅仅与结构承担的荷载水平有关,而与其结构参数如跨度、矢跨比和杆件截面尺寸等因素无关。木拱的蠕变屈曲荷载水平与临界时间的关系与木网壳相似,都表现表现为荷载水平随蠕变屈曲临界时间的增加先期急剧降低,而后慢慢降低,最终趋近于某一定值,即长期稳定承载力水平。50年设计基准期临界时间对应的长期稳定荷载都约为结构瞬时屈曲荷载的35%。通过数据回归分别总结了拱和网壳指数多项式形式的荷载水平-蠕变屈曲临界时间曲线方程。该方程可用以评估结构的长期稳定承载力或蠕变屈曲临界时间。研究了正常使用条件下蠕变对既有木拱和网壳的残余稳定承载力的影响。通过定义残余稳定承载力相对水平这个无量纲的参数,得到了考虑蠕变影响的结构残余稳定承载力相对水平与结构参数也无关以及在同一长期荷载水平下残余稳定承载力相对水平与结构服役时间的对数成线性关系的规律。经回归得到了不同荷载水平下的残余稳定承载力相对水平与结构服役时间的对数直线方程,利用该方程可以算得既有结构在任意服役时刻的残余稳定承载力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.2.1 旋切板胶合木简介
• 1.2.2 国内外关于蠕变的研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 LVL的长期蠕变试验
• 2.1 试验用材
• 2.2 材料力学性能试验
• 2.3 LVL 蠕变试验
• 2.3.1 试验装置
• 2.3.2 加载方案
• 2.4 蠕变试验结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 LVL的蠕变本构模型
• 3.1 基本模型介绍
• 3.1.1 基本元件
• 3.1.2 Maxwell 模型
• 3.1.3 Kelvin 模型
• 3.1.4 标准线性固体
• 3.2 蠕变柔量和松弛模量
• 3.3 Boltzmann 叠加原理和遗传积分
• 3.4 LVL 的蠕变本构模型
• 3.4.1 蠕变本构模型的处理方法
• 3.4.2 数据回归算法
• 3.4.3 LVL 的蠕变本构模型
• 3.5 本构模型在用户子程序中的实现
• 3.6 LVL 蠕变本构模型的验证
• 3.6.1 蠕变本构模型的有限元结果与解析结果的比较
• 3.6.2 LVL 粘弹性模型与试验结果的比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 LVL基本构件的蠕变及长期变形的计算
• 4.1 蠕变对 LVL 基本构件变形的影响
• 4.1.1 荷载条件
• 4.1.2 拉压构件的蠕变变形
• 4.1.3 简支梁的蠕变变形
• 4.1.4 柱的侧向蠕变变形
• 4.1.5 拱的长期变形
• 4.2 基本构件长期变形的计算方法
• 4.2.1 各国规范关于长期变形的规定
• 4.2.2 长期变形的计算方法
• 4.3 压杆的蠕变屈曲
• 4.3.1 压杆的蠕变屈曲
• 4.3.2 柱的长期稳定承载力的简化计算方法
• 4.4 粘弹性对 LVL 耗能性能的影响
• 4.4.1 粘弹性本构模型的复数表达形式
• 4.4.2 粘弹性本构模型中的损耗模量与耗散能
• 4.4.3 振荡应力下 LVL 的力学行为
• 4.5 本章小结
• 第5章 大跨度木结构的蠕变屈曲
• 5.1 蠕变对结构切线刚度的影响
• 5.2 结构发生蠕变屈曲的判别准则
• 5.2.1 蠕变屈曲的数值研究方法
• 5.2.2 结构发生蠕变屈曲的判别准则
• 5.3 拱的蠕变屈曲
• 5.3.1 拱的瞬时弹性屈曲
• 5.3.2 拱的蠕变屈曲
• 5.4 网壳的蠕变屈曲
• 5.4.1 网壳的瞬时弹性屈曲
• 5.4.2 网壳的瞬时稳定承载力
• 5.4.3 材料蠕变对木网壳结构长期刚度的影响
• 5.4.4 网壳的蠕变屈曲
• 5.5 本章小结
• 第6章 既有结构的残余稳定承载力
• 6.1 考虑蠕变效应的残余稳定承载力的计算方法
• 6.2 蠕变对既有木拱的残余稳定承载力的影响
• 6.3 蠕变对既有木网壳的残余稳定承载力的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历