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1、木构件钉结合持久蠕变研究 摘 要本文介绍了木构件钉结合持久蠕变在工程中的重要性；阐述了粘弹性本构理论的相关知识；分析了木构件钉结合持久蠕变的影响因素；采用握钉力测试方法对钉结合持久蠕变性能进行了研究，结果表明：应力水平和温湿度是影响蠕变的决定因素；应力越大，温湿度越高，蠕变破坏越快，蠕变变形量越大；Burgers四元件模型可以用来模拟木构件与钉结合在不同环境、不同应力条件下的蠕变特性；为安全考虑，建议长期使用中应使螺钉应力水平设计为握钉力40%以内。关键词：胶合板 SPF 钉结合 持久蠕变 Study on Creep of Nail Connection in Wood Structure
2、MembersAbstractThis article describes the importance of creep of Nail Connection in Wood Structure Members in engineering; describes the knowledge of viscoelastic constitutive theory; It also analyzes the factors of creep, using the Method of testing nail holding power of wood to study on creep. The
3、 results showed that: the stress level and temperature and humidity are the decisive factor of creep. The stress is greater and the temperature and humidity is higher then the faster the creep damaged, creep deformation is larger; Burgers four-component model can be used to simulate the wood compone
4、nts and Screw in different environments, different creep characteristics under stress conditions; To security considerations, the proposed long-term use stress levels should be designed to screw nail holding power of 40% or less.Keywords: Plywood SPF Nail-connection Creep目录1 前言31.1 蠕变研究状况31.2 课题研究背景
5、31.3 国内外研究现状51.4 研究目的、意义51.5 课题研究创新点62 粘弹性理论72.1 Maxwell、Kelvin、Burgers模型72.2 Kelvin、Maxwell标准线性固体模型92.3 蠕变曲线特性102.4 流变模型选择原则112.5 burgers模型选用113 试验材料与方法133.1 试验材料133.2 试验用仪器与设备133.3试验方法133.3.1试验设计133.3.2 试验方法144 试验结果与分析164.1 试验现象164.2 试验结果174.2.1 握钉力试验结果174.2.2 蠕变试验结果184.3 结果分析194.3.1蠕变试验曲线分析194.3.
6、2 同状态不同应力水平蠕变特性204.3.2 同应力水平不同状态蠕变特性254.3.3 不同材料蠕变特性比较294.4 Burger模型应用分析305 结论34致谢35参考文献361 前言1.1蠕变研究状况所谓“蠕变”即在恒定应力作用下，材料的应变随时间的延长而逐渐增大的特性1。随着金属在高温的、电磁的和化学动力条件下的广泛使用。聚合物、生物体、地质材料、复合材料和智能材料的迅建发展。材料和结构与时间相关的力学性能、破坏机理及失效准则的研究日益追切。并取得了很多的新进展。这也为力学和材料科学提出了许多的重要研究内容和新的学科分支。蠕变力学即为其中之一蠕变力学考虑材料时间相关的力学行为。表征材料
7、的蠕变强度，研究一定载荷下物体的变形、应力和位移随时问变化的现象与过程，估算材料和结构的蠕变寿命，进行合理设计。蠕变力学在航空航天、动力、化工 机械、能源地下工程中有广泛的应用，我国蠕变力学的研究，在金属材料、聚合物及其复合材料、岩土、生物、地学等方面都有相当多的研究成果2。1.2 课题研究背景现代木结构住宅建筑在世界上许多国家已很普遍，在美国和北欧，木结构住宅处于市场主导地位；在日本的新建住宅房屋中,有半数以上也是木结构。20世纪80 年代以后,由于我国可用于木结构建筑的木材逐渐减少，用纯木结构建造的建筑被迫停建。近年来,随着国外木结构住宅进入中国市场,以及国内木结构建筑相关规范的相继出台,
8、在我国停滞了20多年的木结构建筑开始复苏,现代木结构建筑逐渐引起了人们的关注,得到了认可3。由于24规格的木材在木结构框架中被大量使用，因此木结构框架俗称为“24”结构。它为北美洲的人们提供了全世界最高的住房标准。“24”房屋之所以倍受青睐，是由于它有如下诸多优点：a、冬暖夏凉。这是由于木材具有绝缘、不导热的天然特征。这一特点带来的好处是大大节省了用于房屋供暖和降温的能源支出。b、优越的抗震、抗风性能。c、卓越的透气性。房屋内的空气得以保持清新洁净。d、卓越的吸音性能。一个典型的例子是：木制住房内的回音很小。e、利于环保。生产木制建材所消耗的能源远低于生产水泥和钢材，所产生的固体废弃物空气污染
9、也最少。同时，加拿大所产木材均来自可再生的森林，并能够被有效地循环使用。f、易于扩建、改造和修缮。这是由于木材易于割锯、搬运、操作和安装。g、易于满足对外观式样与实际功用性的多样需求4。对于木结构建筑而言，我们往往注重研究其防火、防虫、防腐以及防水性能，希望延长其使用寿命。然而我们却忽略了木材本身的蠕变性能以及用于连接的钉的持久蠕变研究。对于木材蠕变性能的研究已经相对很成熟，影响木质材料蠕变性能的因素很多，大致可分以下几种：材料种类、应力水平、加载方式(即载荷特性、加载方向)和环境条件(温度和相对湿度) 5。测试木质材料的蠕变特性，可采用压缩、拉伸、弯曲等加载方式，但考虑到试验的可行性，许多学
10、者往往采用三点或四点抗弯试验方式，采取的应力水平范围一般为3070。环境的相对湿度与木材的含水率有很大关系，而含水率不同，木材的蠕变性能也不相同。水分赋予木材极大的塑性，尤其是对填充物质的增塑作用。由于水分的介入，能破坏木材组织内的氢键结构，使木材内部纤维素分子链间距增大，屏蔽大分子间的相互作用力，从而增加了大分子的柔度，使链段易于运动，这给木材组分的运动提供了足够的空间，使得木质材料在长期外载作用下更易于变形。环境温度影响木质材料的温度。木质材料内部温度升高，会有两方面的变化：（1）内含能量水平的瞬间变化；（2）永久性结构重组。这是因为，木质材料是由部分结晶的纤维素和部分非晶态纤维素、木质素
11、聚合物组成，当加热到玻璃态转化点温度时，木质材料的非结晶区部分会发生由玻璃质状态向橡胶状态转化，此时的木质素聚合物也失去粘结硬固作用，材料的物理力学性能发生巨大变化，力学强度急剧下降，木质材料的蠕变，尤其是变形中的粘弹性变形和粘性变形部分会显著增加。在木质材料的玻璃态转化点，它的每个聚合单体都获得足够的能量来减弱相互间的吸引力并激发内部分子运动。据研究，木材半纤维素和木质素在160200范围软化，一般木材使用环境的温度远远低于此温度，但是往往环境温度和湿度是同时影响材料蠕变特性的含水率增加，木材主要组分的玻璃化转变温度会相应降低，如湿材的半纤维素在5456、木质素在72128即可发生玻璃化转变
12、现象，这就给木质材料的安全正常使用带来了潜在危险。J.M.Dinwoodie等学者6的研究表明，木质刨花板受弯时，环境温度与相对湿度极大地影响了试材的蠕变形变，且当温度从20到30时，蠕变变形比从10到20更大；相对湿度从6590的蠕变比从3065时蠕变更大，并且环境湿度比温度对蠕变的影响更大。同时针对木质材料的这一特性也研究出了一些关于降低木质材料蠕变变形的措施，如降低木材的吸湿性、加强木材内部组分间连接强度等7。连接是木结构重要的组成部分,而钉连接具有充分的紧密性和韧性,制作简单,安全可靠,是木结构中常用的一种连接。如屋面板、楼面板采用钉与梁相连，轻木结构中墙骨采用斜钉与底板相连、剪力墙的
13、蒙皮结构以及临时支撑等8。但往往钉的蠕变现象却被我们大多数人所忽视。既然钉存在此现象我想就应该被研究与探讨，以此促进木结构建筑的进一步发展与完善。1.3 国内外研究现状国内外的专家一直致力于对金属的持久蠕变性能的研究。尤其是合金与金属基符合材料的研究。当然对于蠕变变形机理、蠕变断裂机理以及如何提高蠕变性能的方法已研究的相对透彻与成熟9。由于木结构建筑在我国仍处于初步发展阶段，无论是设计还是施工技术很大程度上都需要提高和完善，在阅读大量文献资料之后发现对于木构件钉合持久蠕变的研究也处于空白阶段，即使是北美、日本、加拿大等木结构建筑体系成熟的国家亦是如此。1.4 研究目的、意义钉结合是一种操作简便
14、的连接方式，被广泛应用于我国传统木工和现代木结构建筑中，过去使用的钉主要主要是木钉和竹钉，现在主要采用金属钉，包括只直钉、螺钉等。钉结合会破坏木材纤维且连接的强度相对较低，故主要用在木制品抗剪部位。有时钉结合仅起辅助作用。钉结合的牢靠程度常用握钉力来检验，然而握钉力的试验方法周期很短，钉结合在木构件中使用时处于长期受力状态，依据国标测试的结果并不能代表长期受力行为。木材及木质材料都是粘弹性材料，钉结合也将表现粘弹性10。为此本课题将针对螺钉研究在木构件中持久受力蠕变特性，以便于钉结合更好应用于建筑木构件的节点处。同时对于延长木结构建筑的使用年限以及提高其安全性也有一定的借鉴和帮助。当然这在一定
15、程度上也保证了住户的人生以及财产安全。1.5 课题研究创新点a、首次对木构件的钉结合持久蠕变进行研究；b、首次研究不同环境条件下钉结合的蠕变特性规律。2 粘弹性理论为了模拟粘弹性材料的形变规律，可以将材料视作非均质的不同的质点组成的。其中一部分质点是纯粘性的，另一部分质点是纯弹性的。这些质点的不同组配，就构成模拟不同粘弹性特性的各种模型。作为纯粘性质点的元件一般是阻尼，其特性为形变速率与施力的大小成正比（符合 关系）。作为纯弹性质点的典型元件是线弹簧（spring），符合 关系。这里所说的粘弹性模型都是一维的。即全部元件都在同一个方向上联系，而且力的作用也是沿着这个方向【11】。2.1 Max
16、well、Kelvin、Burgers模型最简单的组合是一个弹性元件和一个粘性元件串联或并联起来。如图1的（a）和（b）所示。图2.1蠕变模型两元件串联的结构成为Maxwell模型，并联称为Kelvin模型（或Voigt模型）。假设元件组成的模型都是具有单位横截面积和长度的，那么载荷也就是应力，位移也就是应变。Maxwell模型（a）受拉伸应力时，弹簧和阻尼器中产生的应力是相等的。整个系统的总伸长等于二元件各自的伸长之和，即：(1)其中，将带入式（1）,则得到Maxwell模型所描述的应力-应变-时间关系：上式也可写成：其中n/K，称为松弛时间。Kelvin模型（b）受拉伸时，两元件的伸长是一
17、致的，并且就等于系统的总伸长。 （4）系统的总应力（载荷）由两元件共同承担。所以 ，或写为一般形式： （6）Maxwell模型由一个弹簧和一个阻尼器串联而成，所以蠕变特性实际是上符合粘性元件特性的，即具有长时间的粘性流动。即所施加的应力直接由粘性元件（阻尼器）连续不断地响应所传递，而弹簧则始终给出某个固定的弹性应变，其蠕变量随时间线性地增加，在这一点上没有充分反映出粘弹性特性，因为粘弹性特性反映的应变率应该是随时间而减弱的。这就是Maxwell模型的局限性所在。再看Maxwell模型的松弛特性：当应变保持为常值，随着时间的增加，粘性元件起作用。粘性元件逐渐伸长同时负荷逐渐降低，而弹簧则逐渐收缩
18、，直至趋于完全恢复。应力以逐渐减小的比率降低而趋于零。由于Maxwell模型能描述松弛特性而不能确切的描述蠕变特性，所以Maxwell模型又叫做松弛模型。Kelvin模型在施加恒定载荷时，因为起始加载时弹簧受到阻尼器限制，而后随阻尼器逐渐伸长，同时弹簧也逐渐拉伸，直到全部弹性应变完全发挥时停止。Kelvin基本体模型在恒定应变的载荷条件下，粘性元件作用不再存在，形变为单纯弹簧状态下的应力响应，故不会有松弛。因此Kelvin模型又称蠕变模型。Burgers模型（c），这种模型的连续变形是由瞬间弹性变形、延迟弹性变形和黏性流动变形组成7,8,即: (7)式中:为瞬时弹性模量, 为延迟弹性模量,、分
19、别为黏性系数和延迟黏性系数,为延迟时间。2.2 Kelvin、Maxwell标准线性固体模型图2.2 Kelvin、Maxwell标准线性固体模型图1.4（a）为Kelvin标准线性固体模型，表示弹簧和Kelvin模型串联的情况，力在串联的两个环节中是一样的。伸长则为二者之和，弹簧中： Kelvin模型中： 对上式微分后带入各关系式： (8)图1.4（b）为Maxwell标准线性固体，表示弹簧和Maxwell基本体模型并联的情况。两环节的相同，而。Maxwell模型的伸长由弹簧K1和阻尼器1共同构成。 ,通乘以K1/n1后，整理得： (9)2.3 蠕变曲线特性采用理论模型是为了把复合材界面蠕变
20、用较直观的方法表示出来。由于界面材料包括胶粘剂及木材浅表层和碳纤维层，其中木材和胶粘剂均为典型的粘弹性材料，因此界面具有典型的高分子所具备的粘弹性。在一定的应力水平下，这两种基体物质都会有蠕变的特性，但其复合材料界面是否有这样的特性，在确定蠕变理论模型前，需要对试验曲线作简要分析。通过对复合材界面蠕变试验的时间曲线进行分析，得出界面蠕变曲线有以下4个特性：（1）当施加应力后，立刻产生瞬时的弹性应变，所以流变模型中应包括弹性元件。材料的弹性可用虎克体，即用一弹性元件（弹簧）来表示，其力学响应瞬间完成，本构关系即为虎克定律的表达式：。（2）试验中的蠕变曲线都反映出应变随时间增大而增大的趋势，因此流
21、变模型中应包括粘性元件。材料的线性粘性可用牛顿液体，即一个假想的粘性元件（粘壶）来表示。其本构关系可写为：。式中为剪切粘滞系数，一般简称为“粘度”。（3）当施加应力水平后，应变随时间增大，存在着塑性变形，所以流变模型应包括塑性元件。材料的塑性可用塑性体，即两个相互接触的摩擦滑块来表示。它们之间在受力时产生摩擦力，最大值为f，当作用应力小于时，应变为零；当达到或大于时，变形为任意值。（4）在低应力水平作用下的蠕变曲线，随时间的增长，变形将趋于某一定值，与广义Kelvin模型曲线相似。其蠕变变形由三个部分组成：第一部分是弹性变形，第二部分是延迟弹性变形，这种变形是随时间而变化的，可以用弹簧和阻尼器
22、并联起来去模拟，第三部分是高分子的相互滑移引起的粘性流动，可以用一个阻尼器模拟。总变形等于三部分变形的总和。2.4 流变模型选择原则材料流变模型的选择与确定，应该遵循两个原则：（1）模型能够很好地反映材料的力学特性；（2）模型应尽可能简单、直观，便于工程应用。根据界面材料时间挠度曲线，可用上述三种模型：Maxwell标准线性固体模型、Kelvin标准线性固体模型和Burgers四元件模型来描述界面材料在短时应力作用下的粘弹性行为。2.5 burgers模型选用图2.3 木材蠕变曲线3阶段图一般而言，木材在恒定应力作用下典型蠕变曲线可以分为如图2.3所示的3个阶段。图中第一阶段为初期蠕变（暂时蠕
23、变）阶段，-t曲线向上弯曲，其应变速率逐渐递减，因此亦称衰减蠕变阶段。第二阶段为稳态蠕变（等速蠕变），该阶段内，曲线斜率保持不变，应变速率呈定值稳定状态。这个区段历时的长短主要取决于应力水平。第三阶段为试件达到破坏前应变速率呈加速增长的第三期蠕变，这种蠕变将导致试件迅速破坏。木构件钉结合持久程度主要是钉与木材的摩擦阻力，它们之间相互影响，但通过握钉力试验观察，发现螺钉的钉齿未发生变形，也没有任何破损的情况，木材与钉结合部分有少量木屑产生。推断其持久蠕变主要取决于木材本身的持久蠕变。然而描述木材的蠕变特性时，常常选用Burgers蠕变模型【12】，蠕变曲线开始时一般存在一定的瞬时变形，然后剪应变
24、指数递减的速率增长，最后应变速率逐渐趋近于稳定，其蠕变特性与典型的Burgers模型蠕变特性曲线（图2.5）较接近。Burgers蠕变模型由Kelvin模型与 Maxwell模型串联而成。图2.4 Burgers模型 图2.5 Burgers模型曲线因此本试验拟采用Burgers模型描述曲线的一、二阶段，根据具体的试验数据检验是否吻合Burgers模型曲线。3 试验材料与方法3.1 试验材料SPF 云杉（Spruce）松木（Pine）冷杉（Fir），规格：40x90x4000mm，密度：4000g/m,一等材，木材外观明亮、洁净，颜色由白色到浅黄色不等，纹路细微笔直、质地光滑。胶合板，7层，密
25、度0.648g/cm3。螺纹钉：长度40mm，直径2.5mm；长度30mm，直径2.5mm。3.2 试验用仪器与设备高低温湿热试验箱，型号：GDS-100；电源电压：AC380V；工作室尺寸：270X400X680；电源频率：50HZ；温度范围：0100；湿度范围：1598%RH;温度波动度：0.5；温度均匀度：2。微机控制电子万能试验机：型号UTM4304，最大试验力30KN。其它加工工具：电动切割机、直尺、螺旋测微仪、螺丝刀、转孔机、铅笔等。3.3试验方法3.3.1试验设计本试验欲通过不同材料在相同应力水平不同温湿度、相同温湿度不同应力水平的蠕变曲线测试，采用相关蠕变模型分析钉在持久作用力
26、下的蠕变特型。表3.1 试验设计数据表编号材料钉长应力干球温度相对湿度状态表示SPF-1SPF4070%2591%状态一SPF-2SPF4085%2591%状态一SPF-3SPF4040%6090%状态四SPF-4SPF4060%6090%状态四SPF-5SPF4070%4040%状态二SPF-6SPF4040%5060%状态三SPF-7SPF4050%6090%状态四SPF-8SPF4060%6090%状态四待添加的隐藏文字内容3J-1胶合板4060%2591%状态一J-2胶合板4040%6090%状态四J-3胶合板4060%6090%状态四J-4胶合板4060%5060%状态三J-5胶合板
27、4040%5060%状态三3.3.2 试验方法基材加工：对SPF、胶合板原料进行锯切粗加工，刨切机精加工，使试件平整光滑，SPF尺寸为90x80x38mm，胶合板尺寸为90x80x18mm。钻孔：用钻孔机在试件中心钻口。SPF孔径2.5mm，孔深25mm；胶合板孔径2.5mm，孔深15mm。螺钉固定：用螺丝刀将螺钉小心拧如孔内，保证钉的笔直，SPF拧入深度为25mm，胶合板为18mm。加应力、改变温湿度：根据试验设定相应应力与温湿度。在微机控制电子万能试验机上，根据GB/T 14018-1992木材握钉力试验方法分别测出SPF、胶合板的握钉力。图3.1 握钉力测试装置试验机蠕变程序控制设计：a
28、始控方式-位移控制：5mm/min，终控方式-力控制：xxx N； b始控方式-采样间隔：30； c始控方式-力保载：32400s； d始控方式-位移控制：-50 mm/min，终控方式-力控制：0 N。4 试验结果与分析4.1 试验现象a、试件在锯切时沿顺纹方向的木材较沿横纹方向的难锯切，横纹方向毛刺多。 b、钻孔位置在节子处时较在无节子处加工难度加大，节子处拧螺钉时较困难。c、蠕变试验开始阶段随着应力的增加，试验机发出“咯吱咯吱”的响声，当达到设定应力时声响逐渐消失。当听到试验机发出连续吱吱声，从电脑上显示蠕变曲线呈现快速上升趋势，应力逐渐降低时，表明实验结束。d、取出试件，观察到试件表面
29、与钉结合处有少量木屑。在高温高湿的环境下试件呈现暗灰色，由于含水率增加，表面变得松软。e、SPF及胶合板握钉力试验曲线呈现同样规律，随钉拔出位移的增加，握钉力呈线性递增，达极限值后逐渐下降。胶合板握钉力达极限值后下降较为缓慢，胶合板厚度方向材性差异较小，曲线图上表现明显。4.2 试验结果4.2.1 握钉力试验结果图4.1 SPF握钉力试验曲线图图4.2 胶合板握钉力试验曲线图表4.1 握钉力数据表编号材料握钉力（N）平均值（N）变异系数SPF-aSPF2907.162892.50.052SPF-b2646.80SPF-c2724.27SPF-d2920.99SPF-e3048.38SPF-f2
30、729.4J-a胶合板1816.121815.50.044J-b1702.04J-c1867.38J-d1954.26J-e1782.87J-f1770.334.2.2 蠕变试验结果表4.2 试验结果表编号应力环境状态初始变形(mm)总变形量(mm)SPF-170%状态一0.531830.75964SPF-285%状态一0.941812.97802SPF-340%状态四1.135572.42837SPF-460%状态四0.645652.32195SPF-570%状态二0.744022.13181SPF-640%状态三0.721192.22709SPF-750%状态四0.520330.26947
31、SPF-860%状态四1.23082.40719J-160%状态一0.712970.15172J-240%状态四0.652912.90589J-360%状态四0.381943.09898J-460%状态三0.820692.31984J-540%状态三1.888370.148674.3 结果分析4.3.1蠕变试验曲线分析图4.3 J-4蠕变曲线图4.4 SPF-3蠕变曲线由图可看出胶合板和SPF握钉蠕变曲线分布规律几乎一致，大致可分为3个阶段：第一阶段，蠕变是非稳定的蠕变阶段，它的特点是开始蠕变速度较大，但随着时间的推移，蠕变速度逐步减小，第二阶段是稳定阶段的蠕变，它的特点是蠕变以固定的但是对于
32、该应力和温度下是最小的蠕变速度进行，这就在蠕变曲线上表现为一具有一定倾斜角度的直线段。第三阶段蠕变以迅速增大的速度进行，这是一种失稳状态。直到发生断裂，至此整个蠕变过程结束。4.3.2 同状态不同应力水平蠕变特性图4.5 J-2蠕变曲线图4.6 J-3蠕变曲线图4.7 J-4蠕变曲线图4.8 J-5蠕变曲线图4.9 SPF-1蠕变曲线图4.10 SPF-2蠕变曲线图4.11 SPF-3蠕变曲线图4.12 SPF-8蠕变曲线图4.13 SPF-4蠕变曲线图4.14 SPF-7蠕变曲线由图J-2和J-3试件蠕变曲线可见，同环境下胶合板握钉蠕变性能在高应力水平状态与低应力水平状态的初始变形量相差较较
33、小，主要取决于应力大小。应力水平高低导致蠕变明显变化主要表现于持久时间，低应力水平时3200秒破坏，而高应力水平时在1200秒时便失效，同时高应力水平下蠕变随时间的变化率较大。在另一环境中，如图J-4及J-5所示，试件曲线中也表现出同样的规律，高应力水平下的蠕变破坏时间约为低应力水平下的1/7。在SPF蠕变试验中，各环境状态的试件在不同应力水平下表现更突出，在环境状态一时高应力水平试件蠕变破坏较早，约为低应力水平下的1/100。在环境状态四中也是如此，不同应力水平蠕变变化速率与胶合板相似。高应力水平易使螺钉克服木材及胶合板纤维摩擦，产生滑移，为安全考虑，建议长期使用中应使螺钉应力水平设计为握钉
34、力40%以内。4.3.2 同应力水平不同状态蠕变特性图4.15 J-2蠕变曲线图4.16 J-5蠕变曲线图4.17 J-3蠕变曲线图4.18 J-4蠕变曲线图4.19 SPF-3蠕变曲线图4.20 SPF-6蠕变曲线图4.21 SPF-1蠕变曲线图4.22 SPF-5蠕变曲线由图J-2和J-5试件蠕变曲线可见，同应力下胶合板握钉蠕变性能在高温高湿状态与在低温低湿的初始变形量相差较较大，主要取决于相对湿度。相对湿度高低导致蠕变明显变化主要表现于持久时间，低温低湿水平时32400秒破坏，而高应力水平时在3200秒时便失效，同时在相对湿度高的条件下蠕变随时间的变化率较大。在另一应力条件下，如图J-3
35、及J-4所示，试件曲线中也表现出同样的规律，相对湿度高其蠕变破坏时间约为低湿度下的1/3。在SPF蠕变试验中，各应力水平下的试件在不同相对湿度下表现更突出，在应力40%状态四条件下时试件蠕变破坏较早，约为状态三条件下的2/5。在应力70%状态一与二中也是如此，不同相对湿度下蠕变变化速率与胶合板相似。高温高湿环境下木材吸收空气中的水分，含水率变高，质地变松软，与钉结合部分强度降低，为安全考虑，建议长期使用中应使螺钉在低温低湿环境下工作。4.3.3 不同材料蠕变特性比较图4.23 SPF-3蠕变曲线图4.24 J-2蠕变曲线图4.25 SPF-8蠕变曲线图4.26 J-3蠕变曲线由图SPF-3和J
36、-2试件蠕变曲线，同应力同状态下胶合板与SPF初始变形量相差较较小，主要取决于应力与相对湿度。在低应力环境下，胶合板的蠕变破坏较早，约为SPF的1/4，高应力环境下两者相差不大。主要是由于胶合板的钻孔深度较SPF浅，受环境影响明显缘故所致。4.4 Burgers模型应用分析Burgers本构方程Y(t)=P1+P21-exp(-P3t)+P4t (1)式中：Y(t)为随时变化蠕变变形的数学函数，P为待定系数，t为蠕变时间。P1、P4反映弹性变形和粘性变形，P2、P3反映粘弹性变形。图4.27 SPF-1 Burgers模型拟合曲线图4.28 SPF-3 Burgers模型拟合曲线图4.29 J
37、-4 Burgers模型拟合曲线图4.30 J-1 Burgers模型拟合曲线利用Burger蠕变模型公式（1）作为回归方程表达式，分别进行了两种环境状态下各结合层蠕变特性曲线的数值拟合，方程各参数P1、P2、P3、P4值分别见图3。由图可知，Burger模型描述钉结合持久蠕变数据比较精确，其相关系数都在98%以上，表明钉结合持久蠕变行为可用Burger模型来模拟。模型参数P1反映在弹性范围内，拉应力作用下结合层的抗变形能力，拉应力水平与P1比值几乎一致，结合层弹性性能与应力水平关系较小，在卸载后可完全恢复。P2及P3反映结合层粘弹性变形，图中拟合数据可看出，P2及P3与应力水平及环境状态密切
38、相关，应力水平越大或高湿环境下，其恢复原有尺寸的能力越来越小。P4反映结合层蠕变中的粘性变形，应力水平越大或高湿环境下，永久变形越大。5 结论本课题采用试验测试和软件拟合对木构件钉合持久蠕变特性进行了研究，结论如下：1）钉结合持久蠕变变形都在相对长的时间都存在，受应力大小和温湿度影响。钉结合层短期蠕变过程可分为三个阶段：第一阶段，蠕变速率随时间而呈下降趋势。第二阶段：蠕变速率不变，第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试验结束。2）高温高湿环境下蠕变变形量要显著大于低湿环境，高应力条件下蠕变变形量大于低应力条件下，应力及相对湿度是影响蠕变的重要因素。3）在相同应力及相同温湿度环境下，SPF蠕变变
39、形量小于胶合板。4）Burgers四元件模型可以用来模拟木构件与钉结合在不同环境、不同应力条件下的蠕变特性，其精度可以满足工程需要。5）蠕变变形随应力水平的增大而增大。各应力水平蠕变曲线都表现出了同样蠕变规律，但部分试件蠕变测试时间不能充分反映材料的蠕变性能，今后还要长期时间对材料的蠕变性能做进一步的研究。参考文献1木质材料蠕变研究进展 木材加工机械 2008.2杨挺清 木材与结构蠕变研究近况 力学发展 2000.3周海宾，费本华，任海青 世界木结构房屋研究的最新进展J. 木材工业，2006.4用窑干SPF木材建绿色环保房屋 中国建材 2002.5岳孔，张伟，夏炎，卢晓宁木质材料蠕变研究进展
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