人工林杉木工程结构集成材工艺及性能研究

论文摘要

木材是一种古老的建筑材料,在我国上世纪五、六十年代,因木结构能就地取材,在经济建设中大量采用,致使结构用材采伐殆尽,木结构停用达二十来年,木结构在我国逐渐消失。木结构房屋具有生态、环保、可再生利用等特点,是人类理想的居住环境,随着我国经济的高速发展,人们对建筑结构的需求向多元化发展,北美等国已向我国出口应用现代木结构的轻型木结构住宅,我国木结构因而得到复兴。我国有大面积的人工速生林,木材工业的发展使得生产速生树种集成材,用于建筑结构成为可能,既提高了速生木材利用率,又大力促进木结构建筑的发展。本论文以人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）为试验材料,在分析国内外集成材研究成果的基础上,采用试验研究和理论分析相结合的方法,对人工林杉木集成材的加工工艺和结构性能进行了系统研究。研究方法参照结构用集成材日本农林规格和美国ASTM D4761和D198,并运用FFT频谱分析检测。主要研究内容与成果如下:一、研究人工林杉木工程结构集成材单元接长技术,得出开齿杉木板材静弹性模量和动弹性模量之间呈显著的相关关系,相关系数0.965,并根据弹性模量测试结果,对杉木板材分等;采用双组分胶黏剂能够获得较好的胶合强度;指接后板材的动态弹性模量和静弹性模量仍呈显著相关关系,相关系数0.960,表明FFT频谱分析方法快速检测集成材层板的弹性模量具有普遍性意义,实用性较强。二、研究人工林杉木结构集成材的胶合工艺,得出使用双组分胶黏剂的最佳工艺条件为:单位压力0.8MPa;涂胶量250g·m-2;加入添加剂山核桃粉（200目）10%。使用双组分胶黏剂试件的剪切强度优于三聚氰胺改性酚醛树脂胶黏剂（MPF）,但耐沸水性不及MPF。防腐处理不会降低试件的胶合强度。三、根据人工林杉木的材料特性,提出了杉木工程结构集成材的加工工艺。对集成材构件弹性模量的研究结果表明:（1）在试验范围内,加载速度和跨距对集成材静弹性模量测试结果影响不显著,弹性后效变形是引起多次测量弹性模量变异的因素之一。（2）集成材的静弹性模量、FFT纵波共振弹性模量和模型预测弹性模量之间呈显著的相关关系,相关系数0.92以上,说明FFT频谱分析法快速检测集成材弹性模量能方便有效地预测其弹性模量和利用预测模型根据层板的弹性模量预测集成材成品弹性模量的可行性。（3）集成材指接单元静弹性模量平均值、指接层板静弹性模量平均值与集成材成品静弹性模量之间均呈显著相关关系,相关系数均在0.93以上,进一步验证了用单元弹性模量和层板弹性模量预测集成材成品弹性模量的可行性。四、对人工林杉木集成材受弯构件进行静曲强度试验和承载力设计计算,得出:（1）集成材受弯破坏为受拉脆性破坏,大部分构件破坏由纯弯段内的指接引起,因此应严格控制受弯构件的受拉区单层板质量,在纯弯段避免指接、节子等缺陷是提高集成材性能的关键。竹片贴面能降低构件破坏时的危险性,更好的发挥集成材性能的优越性。（2）集成材强度最低为23.75MPa,最高为41.55MPa,在力学性能方面可以达到相应优质锯材的标准,因此可以广泛应用于木结构住宅、大跨度建筑结构和木结构桥梁等。叠合层数、层板配置方式、竹片贴面是影响集成材构件极限承载力的因素,防腐处理不会降低构件的强度。（3）人工林杉木集成材静曲强度与动弹性模量和静弹性模量之间的相关系数分别为0.85和0.87,有密切的相关关系,因此,可以利用抗弯弹性模量的快速检测来预测木材的抗弯强度。（4）在平截面、应力分布、中性层位置、弹性模量、胶层厚度等几个基本假设的前提下,进行集成材构件受弯承载力的计算的计算,为人工林杉木结构集成材的设计提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 结构集成材概述
• 1.2.1 结构集成材特性
• 1.2.2 结构集成材应用概况
• 1.2.3 结构集成材发展空间
• 1.3 本文研究目标及主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要内容
• 2 试验材料与设备
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试件制备
• 2.1.2 试件分等
• 2.1.3 试件开齿
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 加工设备
• 2.2.2 物理、力学设备
• 2.2.3 无损检测设备
• 3 试验原理与方法
• 3.1 试验设计
• 3.1.1 工艺路线设计
• 3.1.2 集成材构件示意图
• 3.2 FFT 频谱分析检测
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 静曲弹性模量和抗弯强度试验
• 3.3.1 单元静曲弹性模量试验
• 3.3.2 集成材层板弹性模量的简易测量
• 3.3.3 集成材成品弹性模量和抗弯强度测试
• 3.4 集成材胶合强度检测
• 4 工程结构集成材单元接长技术的研究
• 4.1 集成材单元接长技术的研究现状及进展
• 4.1.1 指接加工的研究现状
• 4.1.2 集成材指接处力学性能的研究现状及进展
• 4.1.3 关于指接集成材力学性能的思考
• 4.2 指接单元的力学性能检测与分等
• 4.3 胶黏剂对杉木板材指接处力学性能的影响
• 4.3.1 指接后各等级杉木板材的弹性模量（MOE）和静曲强度（MOR）
• 4.3.2 指接对静曲弹性模量和动态弹性模量回归关系的影响
• 4.4 指接接长工艺与指接长材的性能测试
• 4.4.1 指接接长工艺
• 4.4.2 接长材性能测试与结果分析
• 4.5 小结
• 5 人工林杉木工程结构集成材胶合工艺的研究
• 5.1 集成材胶合工艺研究现状
• 5.2 使用双组分胶黏剂的胶合工艺研究
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 胶合试验
• 5.2.3 试验结果与讨论
• 5.3 使用三聚氰胺改性酚醛树脂胶黏剂（MPF）的胶合工艺研究
• 5.3.1 试验材料
• 5.3.2 胶合试验
• 5.3.3 试验结果与分析
• 5.4 防腐处理对集成材胶合试件胶合性能的影响
• 5.4.1 胶合试验
• 5.4.2 试验结果与分析
• 5.5 小结
• 6 人工林杉木工程结构集成材制备及性能研究
• 6.1 集成材分析模型和性能测试的研究现状
• 6.1.1 集成材力学模型
• 6.1.2 集成材性能测试
• 6.1.3 关于集成材力学模型和力学性能的思考
• 6.2 人工林杉木工程结构集成材制备
• 6.2.1 层板配置
• 6.2.2 涂胶
• 6.2.3 加压
• 6.2.4 养生
• 6.3 工程结构集成材性能预测模型构建
• 6.3.1 结构集成材的弹性模量预测模型的构建
• 6.3.2 结构集成材的弹性模量预测值
• 6.4 工程结构集成材性能测试参数设置对其弹性模量测试结果的影响
• 6.4.1 加载速度对原木和集成材弹性模量的影响
• 6.4.2 跨距对原木和集成材弹性模量的影响
• 6.4.3 弹性后效变形对集成材MOE 的影响
• 6.4.4 影响原木和集成材弹性模量的其它因素
• 6.5 集成材抗弯弹性模量测试结果与分析
• 6.5.1 集成材弹性模量测试结果
• 6.5.2 集成材日本标准B 测试静弹性模量、FFT 检测的纵波共振弹性模量与模型预测弹性模量三者之间的关系
• DY)、指接层板MOE(E_CB)与集成材成品MOE(E_CP)之间的关系'>6.5.3 集成材指接单元MOE(E_DY)、指接层板MOE(E_CB)与集成材成品MOE(E_CP)之间的关系
• 6.6 小结
• 7 集成材受弯构件静曲强度测试和承载力设计计算
• 7.1 集成材构件静曲强度测试和结果分析
• 7.1.1 集成材构件试验现象描述
• 7.1.2 加载过程分析
• 7.1.3 静曲强度测试结果与分析
• 7.1.4 弹性模量与静曲强度的回归关系
• 7.2 集成材受弯构件承载力的设计计算
• 7.2.1 弯曲时横截面上的正应力及抗弯强度的计算
• 7.2.2 弯曲时的剪应力与剪切强度计算
• 7.3 小结
• 8 结论
• 参考文献
• 个人简介
• 致谢