梯度含水状态下木质梁静曲弹性模量的定量计算和设计

【摘要】梯度含水状态下木质梁力学性能的定量化计算,是木质梁静态力学性能设计的基础和前提。它可使设计人员直接获得真实环境下木质梁的力学性能,亦可为木质梁力学性能水分折减系数的确立提供可靠的理论计算途径。但是,上述定量化计算相比平衡含水状态下的却要复杂和困难得多,导致至今多数研究仍沿用平衡含水状态下木质梁“力学性能-水分”回归分析的思路来处理这一问题,这显然不能直接反映木质梁静态力学性能和呈梯度状态分布水分的本构关系,同时也导致了尚处于初级发展阶段的我国木结构标准和规范在这一问题的处理上仍需依赖经验和大量繁杂实验的不利局面。针对上述情况,本论文以我国常用的云南松(Pinusyunnanensis,用YNP简称)、意杨(Populuseuramevicana,用P代简称)和意杨酚醛树脂单板层积材(LaminatedVeneerLumberofPoplarbondedwithPhenolFormaldehydeResin,用LVL简称)为研究对象,在获得三种材料不同含水状态下基础物理力学性能以及吸湿/解吸规律的基础上,依次建立了木质梁的吸湿/解吸水分迁移数理模型和梯度含水状态下木质梁静曲弹性模量(BendingModulousofElasticity,简称Eb)的理论计算模型,最后又以昆明地区典型的气候条件为计算依据,给出了基于这两种数理模型的木质梁Eb的水分折减系数。同时,本文也给出考虑梯度水分分布的木质梁设计方法、设计步骤、计算实例及实验验证。本论文的主要研究成果和创新点可归纳如下：1)无论在吸湿过程还是在解吸过程,YNP、P和LVL三种材料的外形尺寸、静曲弹性模量Eb、顺纹拉伸弹性模量Et、顺纹剪切弹性模量G均与材料的平衡含水率(Equilibriummoisturecontent,简称：EMC)成高度的正相关关系。同时发现,P和LVL材料解吸过程中的Eb、Et、G的变化速率均小于吸湿过程中的,但它们的横纹拉伸弹性模量E和顺纹拉伸泊松比μ12却受含水率的影响不大。2)相同名义含水率(NominalMoistureContent,NMC)下,三种材料处于吸湿梯度水分状态下的Eb均小于其处于EMC状态下的Eb,其中LVL试件的差别最大；但随名义含水率的趋衡,三种材料的这种差别均逐渐减小。3)发现胶层虽能显著降低LVL的吸湿或解吸速率,但未能完全阻止水分在其厚度方向上的迁移。4)论文所用的“扩散+相变”水分迁移模型能较好地预测纤维饱和点以下实木和LVL中的水分迁移过程,其预测精度远高于“集总参”单扩散模型。但需要特别注意的是,模型所用的环境边界条件We应取木材在该环境下的实际可达EMC。同时发现,木材的吸着水扩散系数Dls和水蒸气扩散系数Dvs均随含水率的增高而增大,但在一定含水率区间内可视其为一常数。5)吸湿过程中,木材初始含水率与其环境理论最大平衡含水率(SurindingEquilibriumMoistureContent,简称：SEMC)的差值越大,则木材层间的含水率梯度也越大,但其整体到达目标EMC的时间却越短；同时发现,解吸过程中的规律与上述情况相反。6)基于各向异性层合板理论的Eb计算模型可较好地预测梯度含水状态下木质梁的Eb。同时发现,材料厚度膨胀对实木材料和LVL的Eb计算结果影响非常小,但单板的特殊辅层方向对LVL的Eb计算结果影响很大。7)在环境湿度(RelativeHumidity)不大于65%的情况下,按照我国木结构规范和本文给出的木质梁静曲性能设计方法设计制作的木质梁的静态力学性能指标完全满足中美两国的相关木质梁测试标准,可正常服役。但是在突遭大雨天气的情况下其静曲挠度可在很短的时间内发生超标现象。可见,梯度水分对木质梁Eb的影响较大。8)基于水分迁移模型和Eb理论计算模型的计算结果,YNP在5年、25年、50年和100年使用期限下Eb的水分折减系数应分别为0.89、0.84、0.80和0.67。
【作者】董春雷；
【导师】张宏健；刘一星；
【作者基本信息】东北林业大学，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】木质梁；静曲弹性模量；梯度含水状态；水分迁移；层合板理论；力学性能设计；静曲弹性模量的水分折减系数；

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