木构件干缩裂缝开展的试验研究

发布时间：2020-08-13 06:17

【摘要】：木材特有的吸湿性,使得木结构的受力性能受环境温湿度的影响非常明显;又因其具有各向异性特征,弦、径向干缩率不同,极易产生干缩裂缝,对木结构安全性和耐久性产生较大影响。本文在总结现有的研究成果的基础上,对干缩裂缝发展规律进行了深入研究。本文对两组不同直径的原木构件,在两种不同环境(恒温恒湿、恒温湿度循环)下进行了干缩裂缝开展试验研究。试验结果表明:原木构件在恒温恒湿阶段的含水率沿径向呈二次函数分布、随解湿时间呈指数下降;在湿度循环阶段,含水率随环境湿度呈现周期性变化,内层有滞后现象,尺寸越大,滞后越明显;木构件在湿度变化下的裂缝基本为TR型裂缝,与时间呈线性开展,对于同一试件的多条裂缝,裂缝开展速率几乎一致;试件尺寸越大裂缝条数越多,裂缝开展速率越慢,最终裂缝深度越小。基于试验结果和菲克第二定律,通过理论分析得到木材水分迁移控制方程。在有限元分析软件ABAQUS中,利用湿度场与温度场控制方程的相似性,用热传导模块模拟木构件水分传递,建立湿度场模型,有限元模拟结果与试验值吻合较好,解决了现有软件无法直接进行湿度扩散分析的问题。对试验非理想化的初始含水率和湿度条件进行了修正,结果表明:木构件各层含水率在解湿阶段随时间呈指数下降,表层变化速率在前期大于芯层,在后期小于芯层。构件尺寸对含水率下降速率影响较大,尺寸越大,表层含水率变化速度越快,而芯层则相反;相同条件下,小尺寸构件先到达平衡含水率。通过对湿度循环参数(次数、周期、幅值)的有限元数值分析,计算表明:温度、初始含水率和试件尺寸相同时,试件达到平衡含水率的时间与循环次数、周期和幅值无关。含水率梯度和滞后时间与循环次数、周期和幅值有关:解湿结束时的含水率梯度随着循环次数增加而减小,吸湿结束时的含水率梯度随着循环次数增加而增大,含水率到达稳定时两者一致;湿度幅值越大,最大含水率梯度越大和稳定状态时的含水率梯度最大;湿度周期越大,含水率梯度也越大,含水率滞后时间越短。在此湿度场模型基础上,通过顺序耦合,计算湿度应力。再通过理论分析得到裂缝开裂准则和开展准则,结合扩展有限元(XFEM),建立了干缩裂缝开展模型,该模型计算结果与试验吻合较好,能够充分模拟木构件在湿度变化下的裂缝开展情况。模型计算结果表明:裂缝在达到髓心区域之前,呈线性增长;多裂缝的裂缝开展速率基本一致;裂缝条数越多,开展越慢,最终深度越小;在循环湿度作用下,裂缝总体呈线性增长,且裂缝的开展总是发生在解湿阶段。以南京地区近三十年来的月平均气候为参数,用有限元成功模拟出不同初始含水率的木构件在气干状态下的裂缝开展情况,结果表明:裂缝随时间呈线性开展,初始含水率的不同对裂缝开展速率有较大影响:对于初始含水率为25%的木构件,在未进行防裂措施的情况下,裂缝相对深度开展速率为0.0622/月,气干八个半月后裂缝已达到直径的1/3;而初始含水率为15%的构件,在气干状态下不会开裂。运用同样的方法,可以得到其它气候条件下干缩裂缝的发展速率。这为今后研究木构件在温湿度与荷载耦合作用的受力情况与裂缝开展情况,以及相应的耐久性评定提供了基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU366.2
【图文】：

干缩裂缝,木结构

这也是木结构维修加固中面临的很大问题。木结构建筑常见的破坏方式有开裂、腐朽、变形过大、拔榫等。干缩裂缝是影响木结构耐久性的重要因素之一。《古建筑木结构维护与加固技术规范》[1]对承重木构件的裂缝深度做出了限值规定，当历史建筑木结构承重构件的裂缝深度超过相应限值时，就必须予以加固甚至更换。《木结构设计规范》[2]也通过规定木构件的材质等级来限制开裂对木构件的不利影响。可见，裂缝的存在对于木构件的承载力有着重大的影响，不可忽视。作为一种吸湿性材料，木材的力学性能受环境湿度的影响非常明显。当周围环境湿度变化时，木材中的含水率也会不均匀变化，且由于其内部各处对外界环境的响应程度不同，使得截面内形成含水率梯度；又由于其径向和切向干缩率的差异，从而产生了湿度应力。当湿度应力达到一定水平时，可能产生干缩裂缝，对木结构构件的正常使用产生不利影响。尤其是在环境温湿度变化的长期作用下，干缩裂缝随着时间的推移不断加深变宽，会产生更为严重的后果。干缩裂缝不仅对结构的外观造成一定的影响，而且达到一定深度后会引起木构件顺纹抗剪承载力的降低，成为构件以及整个结构安全性能的隐患，试验表明[3]，干缩裂缝的存在对木构件抗弯承载力有显著影响，这也是长期暴露在自然环境中的木结构破坏的主要原因之一。又因为有开裂面，木构件内部更加容易受到水分及生物的侵蚀，降低其耐久性。使用多年的木结构建筑中普遍存在裂缝，如北京故宫、山西应县木塔、福州三坊七巷等。

技术路线图,木构件,含水率,湿度

图 1-2 技术路线图体研究以下内容：1）为探究木构件在湿度变化下裂缝的开展情况，通过室内加速试验，让 2 组（每组的杉木原木在恒温恒湿及恒温、变湿度的环境条件下进行吸湿和解湿，在选定的时率分布和裂缝深度。以研究不同尺寸木构件含水率在截面的分布及随时间的变化和2）进行材料力学性能试验，根据木材材性试验方法测定木材各项力学指标，如抗拉、抗压弹性模量、干缩湿胀系数等，并对横纹弦向抗拉强度与含水率的关系式的适为后续有限元模拟提供材料参数。3）用 ABAQUS 有限元软件建立木构件随环境湿度变化的湿度场，并与试验结果进同循环条件（循环次数、湿度幅值、周期）下，含水率沿截面分布及随时间发展规在南京地区气候条件下含水率变化情况。4）建立一个包括干缩系数、扩散系数、弹性参数，与湿度相关的各向异性材料模型计算湿度应力，并结合扩展有限元法（XFEM）模拟木构件裂缝开展，将有限元计算与试验测量值进行对比，并探讨循环湿度、气干状态下裂缝的开展规律。

木材构造

如图2-1 所示。木材的强度根据纹理方向和断面方向而异，顺纹方向上的强度最高，横纹方向强度最低，斜纹方向强度介于两者之间。(a) 宏观结构 (b)三向正交各向异性图 2-1 典型的木材构造结构木材在上述三个方向上的异向性不仅表现在力学性质方面，还表现在其他物理性质比如干缩湿胀、水分扩散等方面。2.1.2 几个基本参数（1）含水率木材含水率是木材所含水分与木材质量之比，通常用来描述木材中的水分变化。在木材学和工业生产中，木材含水率通常用绝对含水率表示，计算公式为：w 00100%m mWm (2-1)式中，W 是绝对含水率（%），mw是含水率测定时的质量，m0是绝干试样的质量。

【参考文献】