基于多孔介质热质传输理论的竹材结构建筑热湿应力研究

发布时间：2020-03-30 20:05

【摘要】：随着世界人口增加和建筑业的发展，建筑业能源与材料的需求也日益增大，建筑业对自然环境的直接或间接破坏已成为人类对自然环境的损害的重要因素。竹材作为一种新型建筑材料，在一些建筑结构中逐渐成为混凝土、砖、钢材等传统建筑材料的替代材料。根据多孔介质的定义及其结构具有的固体骨架和孔隙空隙特点，建筑中使用的竹材属于典型的多孔介质材料。当环境温、湿度变化时，竹材结构内热湿传递使结构产生热胀冷缩变形和湿胀干缩变形，当这种变形受到约束在结构内产生热湿应力。影响竹材结构热湿应力的温度与湿度虽然在竹材内传递的作用机理不同，但对竹材结构的伸缩变化具有相同的结果。因此，对竹材结构的热湿应力问题展开研究，开发和应用新型竹材，减少以及防止热湿应力对建筑的破坏是当今建筑节能中的一项重要工作。然而，在建筑结构热、湿应力的研究中，通常分析热应力的影响，对热湿耦合作用下的热湿应力的研究较少，没有考虑温度场与湿度场对热应力与湿应力的相互影响。由于缺乏多孔介质材料的湿胀干缩性能参数，特别是材料的湿膨胀系数，工程设计中还缺乏相应的设计标准和可靠的参考数据。因此，本文从竹材的多孔介质特性、竹材结构内的热湿耦合传输入手，以竹集成板、竹篾胶合板、竹筋混凝土复合结构等为主要研究对象，揭示热湿环境下温度、湿度、材料热湿膨胀特性对竹材的热工特性和热湿应力变化规律，为竹材等多孔介质结构的进一步应用研究提供基础。本文的研究工作和成果主要包括： (1)详细介绍了竹材的多孔介质特点、竹材结构内部的热、湿变化原因和热、湿传递机理，重点阐述了竹材在热湿耦合作用下的热湿变形机理与热湿应力特性，提出了多孔介质湿应力基本概念，介绍了多孔介质湿应力的数学微分方程及其物理意义，为后续章节的热湿应力分析阐明了理论基础。 (2)通过对多孔介质宏观结构的假设，以单位长度微元体为对象，分析了多孔介质结构热湿传递中的热湿弹性行为，阐明了竹材结构热湿应变与应力的分析方法，建立了热湿应力的数学模型，进一步以竹材结构墙体为研究对象，分析了墙体热湿应变与热湿应力的变化特性。阐明了竹材结构墙体热湿应力变化的影响因素，指出温度与含湿量变化是影响热湿应力变化的最重要因素。 (3)阐述了影响竹材结构热湿应力的孔隙率、有效导热系数、热湿膨胀系数等基本物理力学性能参数。采用吸渗法测试了建筑竹材的有效孔隙率，指出常温下竹材试件的有效孔隙率为32.1%~33.7%。提出了竹材湿膨胀系数的概念，采用电阻应变法测试了建筑竹材的热膨胀系数和湿膨胀系数，指出竹材试件的热膨胀系数为纵向9.67×10-6℃-1、横向22.30×10-6℃-1，湿膨胀系数为横向55.28×10-6m/(m·%)、纵向11.64×10-6m/(m·%)，横向热膨胀系数为纵向的2.31倍，横向湿膨胀系数为纵向的4.75倍。分析了竹材含湿量变化对有效导热系数、有效比热容、温度波延时系数等竹材结构墙体热工性能参数的影响，进一步分析了含湿总量变化与墙体总热阻的关系，为竹材结构热湿应力分析提供了基本的物理力学性能数据。同时，采用电阻应变法测试竹材湿膨胀系数，为多孔介质材料湿膨胀系数的测试方法提供了参考。 (4)分析了一维稳态热湿传递工况下竹材结构墙体的热湿应变变化特性，阐明了伸缩热湿应力与弯曲热湿应力的计算方法。建立了墙体稳态热湿应变与应力的微分方程，指出墙体产生的热湿应力为其自由膨胀计算值与测试值之差。以竹篾胶合板材墙体为研究对象分别对墙体的热应变特性、湿应变特性、热湿应变特性进行了实验研究，分析了墙体温度变化和含湿量变化时热湿应力的变化规律，指出墙体内热应变与湿应变具有叠加的作用效果，为新型竹材结构的稳态热湿应力设计提供设计依据。 (5)分析了一维瞬态热湿传递工况下竹材结构墙体的伸缩热湿应力与弯曲热湿应力变化特性，建立了热湿应力与墙体厚度方向温湿度梯度关系的微分方程和热湿应力随时间变化关系的微分方程，阐述了影响竹材结构墙体瞬态热湿应力的影响因素，指出墙体内温度、湿度、温度梯度、湿度梯度是影响其热湿应力变化的主要原因。以竹集成板材为研究对象，分别在加热升温、高温墙体快速加湿、高含湿量墙体快速加热等典型瞬态热湿工况下对墙体的热湿应变进行了实验研究。以竹篾胶合板材为研究对象，在自然热湿环境下对墙体的热湿应变进行了连续实验测试与研究，分析了瞬态工况下墙体的热湿应力变化规律。研究结果表明瞬态热湿工况下墙体的热湿应力变化是一个复杂和多变的变化过程，对新型竹材结构的瞬态热湿应力利用或防止应力发生具有指导意义。 (6)分析了竹筋与混凝土界面的热湿应力变化特性，阐明了竹筋混凝土复合结构中两种材料界面接触力、界面正向应力、界面切应力、轴向正应力等应力的计算方法。对常温下水泥砂浆的湿膨胀特性进行了实验测试，指出水泥砂浆的湿膨胀系数与含湿量基本呈线性关系变化。进一步以单根竹筋的圆柱形竹筋混凝土构件为研究对象，分析了竹筋混凝土温湿度变化时对界面热湿应力、轴向热湿应力变化的影响，阐述了竹筋混凝土结构失效的重要原因，为竹筋混凝土复合结构的设计与应用管理提供了参考。
【图文】：

成工业化生产规模，从而限制了竹材在建筑结构中的应用。自上世纪竹胶合板的研制与应用，使竹材在建筑中的应用得到了快速发展。现根据不同的需求，主要分为3 类[9]：一是廉价实用房屋，主要是为了区的居住问题，这类住宅建筑对技术的要求低，如东南亚的大部分地一些国家的竹制房屋；二是临时性建筑，如用于临时展览或休憩用的筑要求建造快捷、拆装方便、且造型精美汉诺威世博会的ZERI厅；三的别墅等，这类建筑构件精致考究，造价较高，随着竹加工技术的发品质的竹子建筑的发展空间很大。近年来，建筑竹材工业的主要产品板、竹材层积板、竹材旋切板、竹贴面装饰板、竹地板、竹蔑层压板板等。竹材在建筑业中的应用也遍及梁、墙、柱、橼、竹混结构以及等[10-13]。在国际竹藤组织等机构的技术支持下，2004年在云南屏边建屋架、屋顶板和内外墙均为竹集成材和竹胶合板组成的竹材结构校舍区也常应用具有有效抗震作用和房屋重复搭建功能的整体竹材结构快屋。竹材作为一种新型建筑材料，在某些建筑结构中逐渐成为混凝土木材等传统建筑材料的替代材料。

微观结构组成,竹节,截面,多孔介质

博士学位论文e)均应有固相基质，多孔介质的一项重要特点是空隙尺寸极其微小，孔隙中流体的行为由此而受构成孔隙空间的孔洞是连通的，互相连通的孔隙于流体通过多孔介质的流动来说，不连通的孔隙介质的定义和特点可以看出，大部分建筑材料，温材料、木材、竹材等都属于多孔介质材料，这通的孔隙和具有很大的比表面积[86]。孔介质结构具有高度不均匀性、内部结构复杂的气、液、固（如图 2.1 所示）。其基本结构由固相（表皮系统水）和气相（空气或气体混合物）组成。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU366.1;TU111

【参考文献】