国产樟子松螺栓连接强度模型及测试分析

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作为四大工程材料之一的木材是最绿色环保的建筑材料。与其它材料相比,木材具有可再生(Renewable)、可循环(Recycle)、可再用(Reuse)和可减少(Reduce)的4R属性,可通过森林的可持续经营达到永久利用。与先进国家比,我国木材利用范围主要集中于家具和室内装修,在一些国民经济重要部门中,本来可以利用木材的地方却在大量消耗其它材料,这种情况以建筑业尤为突出。在发达国家,木结构建筑产业占整个林业产业的半壁江山,而我国木结构建筑产业市场总量和市场占有率都很低。因此,从资源发展战略以及着眼于全局和长远发展利益的角度出发,扩大木材及木制品在我国建筑上的应用,符合国家要实现国民经济和社会可持续发展的战略构想,可为林业产业高附加值加工利用提供良机。  目前,国内木结构建筑产业是典型的进口型产业,从原材料、设计、建造技术到规范等都主要依靠进口。现代木结构建筑要在中国生根和发展,就必须实现产业本地化,尽可能多地应用国产木结构材并加强木结构应用基础的国内研究,形成具有中国特色的木结构建筑技术和材料技术体系。连接是木结构建筑的关键部位,连接构件和连接件的性能直接影响到木结构建筑结构强度、使用寿命和可靠性。但在国内,有关国产材连接性能及技术方面的应用基础研究尚属空白,要实现木结构建筑用材国产化,必须加强对国产材诸如连接性能等方面的理论研究和测试分析。  本文借鉴国内外在木结构连接方面的研究成果,整理构建了国产针叶材销类连接屈服破坏强度评价理论体系,通过测试分析对比了国产樟子松和进口云杉-松-冷杉(Spruce-Pine-Fir)规格材螺栓双剪连接强度性能,并利用ANSYS商业有限元分析软件对国产樟子松螺栓双剪连接接触区域的应力进行了有限元解析,相关研究结果可为国产材螺栓连接设计和性能评价及国产针叶材在木结构建筑领域的使用可行性提供参考。主要发现和结论如下:  (1)不锈钢螺栓的抗弯强度可根据螺栓直径用线性回归模型预测:  y=90.2x+4.8 R2=0.97;  (2)虽然在木材强度概率分布方面常采用两参数威布尔分布模型,研究结果表明正态分布更适于描述不同连接条件下国产樟子松规格材螺栓双剪连接强度的概率分布;  (3)螺栓直径和试样截面厚度会显著影响国产樟子松规格材销槽承压强度,就影响程度而言,螺栓直径的影响要大于试样截面厚度的影响。螺栓直径和试样截面厚度对销槽承压强度影响的方差分析结果为:螺栓直径F=57.529,Sig.=0.000;试样截面厚度F=3.607,Sig.=0.000;螺栓直径*试样截面厚度F=0.835,Sig.=0.000;  (4)螺栓直径和中/边材厚度比会显著影响国产樟子松规格材双剪连接强度,螺栓直径对双剪连接强度的影响要大于中/边材厚度比的影响。螺栓直径和中/边材厚度比对樟子松规格材双剪连接强度影响的方差分析结果为:螺栓直径F=278.614,Sig.=0.000;中/边厚度比F=115.880,Sig.=0.000;螺栓直径*/边厚度比F=6.731,Sig.=0.000;  (5)国产樟子松螺栓双剪连接强度可根据螺栓直径和中/边材厚度比用线性回归模型预测:y=893.0x1+5131.5x2-4489.6 R2=0.76;  (6)研究结果表明本论文所构建的国产针叶材销类连接屈服破坏强度评价理论体系可以较好地描述国产樟子松规格材螺栓双剪连接强度,与试验结果吻合良好;  (7)对于国产樟子松规格材和进口SPF规格材螺栓双剪连接,在保持连接条件相同的情况下,国产樟子松与进口SPF的连接强度未发现有统计学意义上的差异,结果表明国产樟子松规格材从螺栓连接强度角度而言可作为结构材在木结构建筑中使用;  (8)利用ANSYS软件模拟了国产樟子松规格材双剪连接破坏过程,模拟结果表明不同连接方式的螺栓双剪连接最大破坏剪应力出现在螺栓杆与中部构件接触的上表面,沿着螺栓直径方向逐渐减小,螺栓杆中心部位剪应力最小。  
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