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1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 论 文 豫北地区木质结构梁类构件受弯力学性能试验研究Experimental Study on Bending Behavior of Wood Beams in The North Area of Henan Province学院名称: 土木与建筑工程学院 专业班级: 土木工程09-2 学生姓名: 学 号: 指导教师姓名: 指导教师职称: 2013年 05 月毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文
2、中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者
3、签名: 日 期: 目 录摘要I Abstract II引言 1第1章 绪论 21.1 本课题研究的主要内容 21.2 试验的目的及意义 21.3 文献综述 31.4 可行性论证 3第2章 件的设计以及制作 42.1 购置木材并按照规范要求设计构件 42.2 确定木梁构件的截面形状42.3确定木梁的试验分组以及各组构件所需螺栓数目 42.4 确定木梁的构造 4第3章 试验的主要步骤 63.1 了解并熟悉试验仪器的操作 6 3.1.1 对试验仪器进行安全准备 6 3.1.2 对试验仪器进行安全准备 6 3.1.3 阅读仪器使用说明并且熟练操作63.2 进行弯曲试验 7第4章 试验数据记录及分析 9
4、 4.1 极限荷载 9 4.2 螺栓数目与极限荷载的变化9 4.3 计算木梁的弹性模量10 4.4 数据分析13 结论 14 胶合木梁优点与展望 15 致谢 16 参考文献 17豫北地区木质结构梁类构件受弯力学性能试验研究摘要:木材是一种有机各向异性材料,力学性能因树种、产地而异。正因为木材的特殊材性,这种材料的性能很少被了解。梁属于木结构中主要受弯构件,抗弯强度和抗弯弹性模量是受弯构件的重要力学性能指标。我国研究木结构受弯性能试验的文献较少,通过试验来确定木材的材性参数,对于我们了解木材受弯性能有重大实际意义。通过木梁抗弯性能试验研究,我们可以测量木梁在荷载作用下的挠度值,根据规范给定的公式
5、,计算出木梁的纯弯区段的弹性模量,以及加载至木梁破坏,记录其极限破坏荷载和观察破坏的形态,以便于以后的安全使用,是对木材的全新的研究,为以后对木材运用开辟一个新的领域。关键词:胶合木梁 抗弯性能 弹性模量 极限荷载 Experimental Study on Bending Behavior of Wood Beams In The North Area of Henan ProvinceAbstract:Wood is an organic anisotropic material, mechanical properties owing to the different tree spec
6、ies and habitat. Because of the special material of lumber, the material performance is rarely, if ever. Beam belongs to the wood structure in the main component of the bending, bending strength and bending elastic modulus is an important mechanics performance index of flexural member. Timber constr
7、uction in China are the flexural performance test of literature is less, through the test to determine the material parameters of lumber, for us to understand the AnYang region wood bending properties have important practical significance. Through the wooden beam, experimental study on flexural perf
8、ormance we can measure the deflection value of the wooden beams under the action of load, according to the specification given formula, to calculate the pure bending of beam section of the elastic modulus, and load damage to wooden beams, record its ultimate load and observe the damage form, so that
9、 the later of the safe use, is the study of new Key words:Wood Beams ;Collapse limit loads;Modulus of elasticity ;Bending behavoir 引 言 我国建筑大量采用钢筋、水泥、粘土砖等传统建筑材料,消耗了大量的自然资源和能源,并且对环境也造成污染与破坏。木结构不会消耗矿石资源,木材生长过程对环境也有利,同时木结构的加工、使用及废弃都不会对环境造成严重的污染,因此木结构是“节能”、“省地”、“生态环保”的绿色建筑结构形式,我国应支持目结构建筑。王全凤,李飞等人以水杉和松木作为
10、材料,研究几种纤维材料加固木梁的抗弯性能并提出纤维加固木梁的抗弯承载力计算公式。刘伟庆,杨会峰等人以加工的工程木材以及水杉作为材料,研究木梁抗弯性能,对受弯构件的结构性能影响因素进行了分析并考察纤维复合材料对木梁的加固效果。姬卓等人研究了不同的材料粘贴方式和不同的粘贴厚度等因素对于木梁加固效果的影响。对于文献情况来看,研究杨木力学性能的文献较少,通过试验来确定木材的材性参数,对木结构设计与数值模拟计算具有较大的实际意义。本文以华北各地广泛采用的木材作为研究对象,通过材性试验得到木材的极限荷载与弹性模量。 以上的试验研究都是对木梁加固后木材抗弯性能的研究,而国内目前对于胶合板螺栓连接的梁类构件的
11、试验研究还比较少,希望本课题的研究可以给以后的更进一步的研究具有参考价值。第一章 绪论1.1本课题研究的主要内容 本课题研究木材弯曲性能,通过试验来确定木材的材性参数,试验主要以安阳地区木材作为研究对象,通过材性得到木材的抗拉,抗压强度与弹性模量。通过对工字型、矩形截面木梁进行弯曲试验,研究木材的抗弯性能。试验主要包括试件设计,试件选用同一批次,选用矩形截面短边抗弯,长边纹抗压和工字形截面抗压。弯曲试验,通过分级加载测量不同木质的变化,最后观察破坏形态并记录极限承载能力。1.2 试验的目的及意义 本试验的试验目的木材是一种有机各向异性材料,力学性能因树种、产地而异,通过试验研究木材的抗弯性能,
12、使我们更好地了解本地区的木材,通过试验得出木材的平均抗弯模量和平均抗弯强度,木梁受压区应变达到屈曲极限时,梁的变形以及破坏形态。试验数据为下一步利用有限元软件对木梁及木柱,梁土坯组合墙体的抗震性能进行数值模拟分析提供试验依据,同时让我们了解了木材的自然缺陷对木梁受弯性能的影响很大,实际应用中应尽量避免选用带有重大缺陷的木材。我们通过试验得出工字梁以及矩形梁承受最大荷载时的截面尺寸,便于我们以后加工应用。1.3 文献综述(1) 王全凤,李飞等人以水杉和松木作为材料,研究几种纤维材料加固木梁的抗弯性能并提出纤维加固木梁的抗弯承载力计算公式旧。通过对9根矩形截面木梁的受弯静力试验,进行了玻璃纤维布(
13、GFRP)加固木梁抗弯性能的研究,分析了加固梁的承载力、挠度等结构性能。试验结果表明,在木梁受拉区粘结GFRP是提高木梁抗弯性能的有效方法。针对木梁的几种破坏现象,对加固木梁的破坏方式的界限破坏形态进行了分析,推导出GFRP加固矩形木梁抗弯极限承载力的计算公式。(2)刘伟庆,杨会峰等人以加工的工程木材以及水杉作为材料,研究木梁抗弯性能,对受弯构件的结构性能影响因素进行了分析并考察纤维复合材料对木梁的加固效果。结果表明:工程木梁的结构性能远远超出了建筑中常用锯材梁的结构性能,其强度比樟子松锯材构件高出39.0%到90.0%,刚度高出35.0%到45.0%,若将Glulam与LVL进行优化组合,会
14、取得更好的效果;构件横截面平均应变基本上呈线性分布,构件的极限拉应变约为0.006,而其破坏时的压应变最大为0.009左右;层板组合方式及构件尺寸大小对构件的结构性能影响较大。研究表明,工程木在我国建筑结构领域具有很好的发展前景。(3)姬卓等人研究了不同的CFRP材料粘贴方式和不同的粘贴厚度等因素对于木梁加固效果的影响。试验主要研究了不同的CFRP材料粘贴方式和不同的粘贴厚度等因素对于木梁加固效果的影响,通过分析荷载与应变及挠度的关系,得出不同构件的加固效果。试验结果表明,不同的加固方式对于木构件的极限承载能力、刚度及延性的提高侧重点和幅度是有很大差异的,但木构件的性能都得到了极大的改善。1.
15、4 可行性论证 木制品在我们的日常生活中非常常见,家具,门窗,桌椅等随处可见。与我们的生活息息相关,同时木结构在建筑中的应用也是很广阔的,木材相比混凝土有它的优点,由木头建造的房屋具有冬暖夏凉的优点,而且当木材受到比较大的荷载情况下具有很好的韧性,在其破坏前期能够发出响声能够提醒人们撤离,防止人员伤亡。 在进行木结构受弯试验时,首先要对木材进行加工设计,设计成试验需要测试的形状, 试材的树种名称、来源或产地、木材等级、试件制作等情况以及有木材标准小试件的力学性,都需要进行考虑。 试验设备的情况,包括加荷设备、支承装置、测量荷载及变形的装置也需要掌握。 设计全过程将充分考虑安全因素,在其前提下,
16、根据相应的国家标准进行设计木构件,分级加载,测量其各项性能指标。在我们所做的试验与规范给定的试验方法有出入,在规范试验中在测定木梁挠度使用的是U型挠度测量装置,而在我们实际中却没有才采用这种方法,我们采用五个挠度表分别测量木梁个点处的挠度,最终能够达到和U型装置同样的效果。第二章 构件的设计以及制作2.1 购置木材并按照规范要求设计构件。 我们通过对购置的长宽厚=180091813mm的胶合板进行加工,先进行切割,形成组成木梁所需的木板。根据设计方案和材料尺寸及规格确定使用板材与规格。同时根据实验方案确定所确定使用板材的数量。确定以后在胶合板上用铅笔画线并且进行切割,为了避免误差,在画线时比预
17、期的尺寸大0.5mm,在用手锯切割时用丁字形进行固定,以防倾斜。2.2 确定木梁构件的截面形状 经过老师的商讨,确定了进行木梁抗弯性能的截面形状分别为矩形截面和工字型截面,如图2.1,图2.2 图2.1 矩形截面木梁 图2.2 工字型截面木梁2.3 确定木梁的试验分组以及各组构件所需螺栓数目所需板材全部切割完毕后,根据所需的尺寸,严格要求,刨取所需的尺寸。然后根据所设计的实验方案,在每一组的木柱板上根据等分点钻取相应的螺栓孔数。分别把相应的木柱板用合适的螺栓连接,实验材料完工,试验主要研究的是螺栓数目对木梁的抗弯性能的影响,所以我们制作了螺栓数目为0、1、2、3、4的矩形截面各一组,以及螺栓数
18、目为3、4、5的工字型截面个一组进行试验。2.4 根据胶合板的厚度以及长度确定木梁的构造 由购置的胶合板来确定矩形梁和工字型梁的长度、宽度、跨度,木梁的尺寸根据规范要求同时结合实际情况而定,截面尺寸参考表2.3,表2.4 表2.3 矩形截面梁尺寸 木结构矩型截面短边方向宽(mm)高度(mm)跨度(mm)加螺栓数目每组试验数量13*21009000、1、2、3、4 1长边方向13*21009000、1、2 1表2.4 工字形截面梁的试验尺寸 木结构工字型截面腹板翼缘跨度(mm)加螺栓数目试验组数宽(mm)高(mm)宽(mm)高(mm)900 3、4、5 113*230013*3*260第三章 试
19、验的主要步骤3.1 了解并熟悉试验仪器的操作3.1.1 购置试验仪器并安装 由于是第一次接触木结构抗弯性能的试验,在实际操作中有很多盲点,比如仪器的安装、调整、操作和安全准备等。在指导老师的示范下,我们初步了解了仪器的安装以及操作。3.1.2 对试验仪器进行安全准备 由于仪器的操作具有很大的危险性,所以我们在做实验前应该做好一定的安全措施,像去掉仪器上自带的锯齿、调整好钻头的角度、给仪器制作底座以便方便操做,如下图图3.1、3.2 图3.1 胶合木梁支座 图3.2 去掉锯齿后的木材加工仪器3.1.3 阅读仪器使用说明并且熟练操作 在操作仪器的过程中,有些地方还不熟悉,需要我们不断的摸索,比如在
20、我们刨平木板的过程中,由于仪器的刀片太低,这就需要我们自己通过对说明书的阅读来掌握调整的方法。3.2 进行弯曲试验 弯曲试验是在安阳工学院结构试验室加压控制台上进行的。首先经过老师的悉心指导,我们了解了仪器的使用方法以及注意事项,同时由于仪器不是为构件量身定做的,在构件的三分点处的加压需要我们运用其他工具实现,我们采用了在加压仪器上捆绑工字型钢等工具进行三分点的加压,同时由于加压控制台是水平的,为了实现测量木梁的挠度的要求,需要在木梁的下部放置挠度表,这就要求我们调整支座的高度来完成。(1) 熟悉仪器的操作以及注意事项 木梁制作完成后,我们开始进行木梁的受荷试验,老师带领我们参观了结构试验 室
21、中的加载仪器,给我们示范了怎样操作仪器以及注意事项,由于仪器不 能直接进行加压,需要在仪器上绑扎工字型钢来实现。在加压前应先打开电机开 关,使液压机平台上升一定的高度,当木结构梁的上端距离液压机上平台较近时停止, 注意不能使液压机上下两平面间的压力过大(防止液压机因螺丝压损而损坏),然 后关闭电机开关,打开油泵加压。同时,在匀速加荷前应去掉应变表,防止应变过大而损坏应变表。,百分表安装位置如图3.3,加压仪器如图3.4、梁挠度测试如图3.5 图3.3 加载装置 图3.4 加压仪器 图3.5 梁挠度测试(2) 为木梁进行弯曲试验做好准备工作:怎样能够实现三分点加载,怎样能够使挠度表固定和测量挠度
22、、支座的支座及固定等(3) 木梁弯曲试验中所需要的数据的准备,制作出所需要的表格以免测量当中遗漏:有木梁各点处的挠度、支座处到加载点处的距离、固定木梁所需的荷载Fo、由极限荷载推导出所需要加载到的F1。(4) 进行木梁抗弯性能试验并记录所需的数据(5) 测量木梁的极限荷载并且观察木梁在承受极限荷载时的破坏形态以及不同螺栓数对木梁抗弯性能的影响,梁的梁的破坏如图3.6、3.7 图 3.6 木梁的破坏 图3.7 木梁的破坏(6) 绘制螺栓数与木梁极限荷载之间关系的图形 第四章 试验数据记录及分析4.1 不同截面形式、螺栓数目的极限荷载通过对矩形、工字型截面梁的受弯试验,研究了胶合木梁的极限荷载与弹
23、性模量等主要抗弯性能。测量木梁在两点集中荷载作用下的跨中应变和挠度数据,分析螺栓数目与极限荷载的关系,计算胶合木梁的弹性模量。通过木梁弯曲试验,我们得出以下数据,如表4.1 表4.1 不同截面、螺栓数的极限荷载 螺栓数目截面形状012345矩形截面长边7.5KN7.2KN8.2KN短边11KN11.5KN9.8KN10.5KN10.4KN 工字型63KN65KN68KN 4.2 螺栓数目与极限荷载的变化 通过木梁受弯试验,测量不同截面形式、螺栓数木梁的极限荷载,然后在Excel中输入相应的数值,生成图 4.2、4.3 图4.2 矩形截面短边方向极限荷载变化图 图4.3 工字型截面极限荷载变化图
24、4.3 计算木梁的弹性模量预先估计荷载 值(小于比例极限的力)和 值(大于为把试件和装置压密实的力即不产生松弛变形的力)。荷载从 增加到时记录相应的挠度值,再卸荷到 ,反复进行5 次而无明显差异时,取相近三次的挠度差读数的平均值作为测定值乙,相应的荷载值为F=-,梁在纯弯矩区段内的纯弯弹性模量应按下式计算: (4-1)式中 - 加荷点至反力支座处的距离(mm)经测量为250mm - 两加荷点之间的距离(mm)测量结果为300mm - 荷载增量,在比例极限以下,此处等于与的差值(N)矩形截面为4KN,工字型截面为8KN与25KN I实际截面的惯性矩 () 矩形截面为216.7,工字型截面的为19
25、234.8 -在荷载增量作用下,在测量挠度的标距为的范围内所产生的中点挠度(mm) -在纯弯矩区段内的纯弯弹性模量(N/),应记录和计算到三位有效数字。梁在全跨度内的表现弹性模量应按下式计算: (4-2) 式中 l测量挠度的标距,此处取等于梁的跨度(mm);Em,app在全跨度内梁的表观弯曲弹性模量(N/mm)根据规范给定的计算公式,由在试验过程中测量的数据,带入公式,可得到不同截面、螺栓数目的弹性模量值,得图表4.4、4.5、4.6表4.4不同截面、螺栓数的弹性模量截面及挠度螺栓数目 0 1 2 3 4 5矩形截面长边0.630.480.605短边0.470.40.5150.6150.825
26、弹性模量长边4.125.414.29短边纯弯5.526.495.044.223.15短边全跨34.222.931.226.119.5工字型截面0.0450.1550.185弹性模量纯弯1.31.180.99全跨8.057.316.12用图表示如下: 图4.5 矩形截面弹性模量变化趋势图 图4.6 工字形截面弹性模量变化趋势图4.4 数据分析 经过数据分析我们可以的出在一定的长度范围内,胶合木板的长边方向和短边方向的极限荷载以及弹性模量有很大的变化,长边方向受弯的木梁极限荷载与弹性模量明显低于短边方向。说明胶合木板顺纹受弯性能明显低于垂直纹路受弯性能。 由以上表格数据分析,可以得出在跨度为900
27、mm的矩形截面梁短边的弹性模量在没有螺栓的情况下稍小于有一个螺栓的,随着螺栓数目的增加而弹性模量而减少,工字形截面梁的弹性模量在三组不同数量螺栓的情况下随着螺栓数的增加而减少。矩形截面木梁在无螺栓情况下的极限荷载和弹性模量分别为11KN、5.52MPa,在一个螺栓情况下的极限荷载和弹性模量分别为11.5KN、6.49MPa,两个螺栓的极限荷载和弹性模量分别为9.8KN、5.04MPa,三个螺栓的极限荷载和弹性模量分别为10.5KN、4.22MPa,四个螺栓的极限荷载和弹性模量分别为10.4KN、3.15MPa,工字形截面梁在三个螺栓的极限荷载和弹性模量分别为63KN、1.3MPa,四个螺栓的极
28、限荷载和弹性模量分别为65KN、1.18MPa,五个螺栓的极限荷载和弹性模量分别为68KN、0.99MPa。 结 论(1) 木梁破坏现象 构件在加载前期,材料基本处于弹性状态。随着荷载的增加,跨中挠度和应变增大,支座几乎没有沉降,可忽略不计。木梁在达到极限荷载之前,可以听到轻微的木纤维断裂声,但表面没有出现明显的裂缝。加载后期木梁表现出一定的塑性变形,刚度有所降低,变形渐趋明显,不断发出响声,随后木梁受压区缺陷处发生局部翘曲,伴随着“啪”的一声巨响,木梁受拉区纤维发生脆性断裂,失去承载力。卸载后,变形部分回弹,但仍能保持部分残余变形。 (2) 木梁破坏形式 木制梁构件一旦破坏承载力随即丧失,破
29、坏是发出巨大的木材断裂或劈裂的声音,翼缘无明显破坏发生,本次试验中观察梁试件破坏模式可分为两种:纯弯段腹板弯曲破坏、平面外失稳破坏。(3) 木梁破坏的影响因素 由不同螺栓数木梁极限荷载分布图可以的出一定的结论,对于矩形截面梁,在没有螺栓连接情况下的极限荷载是最大的,随着螺栓的增加极限荷载都有所下降,这是由于螺栓使木梁的抗弯净截面减少而导致极限承载能力降低。而对于工字型截面梁来说,其极限荷载是由于工字型梁的失稳而得到的,由于工字型梁是由不同的胶合木板组成的,其整体稳定性不好,胶合木板之间的连接也不紧密,虽然它的惯性矩大,但是如果整体稳定性得不到保证,极限荷载也不会很高,由极限荷载和螺栓数目的关系
30、图可以得到在螺栓数目为4个的情况下,其极限荷载最高。 组合胶合木结构优点与展望(1)胶合木结构的优点 胶合木结构随着建筑设计、生产工艺及施工手段等技术水平的不断发展和提高,其适用范围也越来越大,采用胶合木结构的建筑工程也越来越受人们的喜爱,胶合木结构具有以下技术上和经济上的优点:能利用较短、较薄的木材,组成几十米或上百米的大跨度构件,制作成各种不同的外形,构件截面也可以制作成矩形、工字性、箱形等较合理的形状。解决了受天然原木尺寸的限制,可以灵活的设计建筑平面和外形,从而扩大木结构的应用范围。可以剔除木材中木节、裂缝等缺陷,以提高木材的强度。也能根据木材受力特性,进行合理级配,量才使用,将不同等
31、级的木材应用于构件不同的应力部位。以达到提高木材的使用率和劣材优用的目的。保温性能好,能防止构件的冷桥和热桥。(2) 胶合木梁未来展望 胶合木结构被广泛应用于大跨度大空间的建筑,今天在世界各地得到越来越广泛的应用。而且胶合木的梁和柱在建筑结构中能充分展现木材的美观,这种结构在欧美已有近100年的历史,随着中国生产和设计水平的提高,规范的完善,胶合木的应用在中国也将有更大的发展。 胶合木梁虽然在强度方面不如混凝土,不能应用用主要的受力构件,但是它的自重轻、环保绿色、无污染,可以应用于次要的受力构件,这样以来不仅减轻了结构的自重,提高其安全性能,同时又能够充分利用木梁的抗弯性能,现在我国的钢木结构
32、就是合理利用木材的典型例子。致 谢 感谢指导老师石志强、史永涛老师的亲切关怀和悉心指导。他们严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。老师们不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,在此谨向两位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过试验的同学们,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入试验到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母,谢谢你们!
33、最后,再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!参考文献1 木结构试验方法标准GBT503292002.2 木结构设计规范GB50005-2003.3 木结构工程施工质量验收规范GB 502062002.4 木材抗弯强度试验方法S GBT 19361-2009.5 木结构试验方法标准S GBT 50329-2002.6 杨勇 新时代的新木建筑 J.低温建筑技术,2009(4):32-33。7 王增春.南建林.王锋.WANG Zeng-chun.NAN Jian-lin.WANG Feng CFRP增强木梁的预应力施工方法期刊论文-施工技术2006,35(10).8 连义兵.高金良.LIAN
34、 Yi-bing.GAO Jin-liang 高温下钢筋混凝土的锈蚀研究期刊论文-低温建筑技术2011,33(12).9 王全凤,李飞,陈浩军,等.GFRP加固木梁抗弯性能的试验研究与理论分析J.建筑结构,2010,40(5):5052.10 卡米力外力,哈斯也提哈里丁,等.木梁抗弯试验研究J.2012,28(7).11 刘庆伟,杨会峰.工程木梁受弯性能试验研究J.建筑结构学报,2008,29(1);9095.12 姬卓.CFRP材料加固木梁性能研究D.上海;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,2009.13邹红玉,郑红平.木材弹性模量的测量与材料力学性能J.实验室研究与探索,2009.14 张大照,熊学玉,张平碳纤维片材及预应力加固修复古木结构研究综述J工业建筑增刊,200215徐芝纶弹性力学(4版),北京:高等教育出版社,2006