1、湘潭大学硕士学位论文答辩报告湘潭大学硕士学位论文答辩报告带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能组合空芯柱轴心抗压性能Axial compression behavior of square thin-walled steel tube/bamboo plywood composite hollow column with binding bars 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 目 录 纲 要2123研研 究究 依依 据据 研研 究究 内内 容容 结论与展望结论与展望 带约
2、束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1 研究依据1.1 研究背景及意义1.2 研究发展及现状1.3 文章结构图3 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1.1研究背景及意义研究背景及意义 4 竹材资源丰富竹材资源丰富生长快速、可再生生长快速、可再生绿色可持续发展绿色可持续发展世界主要产竹国竹林面积和种数分布力学性能良好力学性能良好结构体系多样化结构体系多样化材料强重比力学性能强重比（比强度）=材料的强度/材料表观密度 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁
3、钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 5随着现代化加工工艺和技术水平的提高，竹集成材 的研制成功，尤其是各种竹胶合板竹胶合板的出现，打破了 天然竹材自身的局限性，大大的拓宽了竹材在结构 中的应用范围，现代钢-竹结构体系应运而生。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱竹胶合板组合空芯柱（SBCCB）是在薄壁方型钢管/竹胶板空芯组合柱（SBCC）开发和研究的基础上，对改性竹材的一 种更深入的新型利用。设置横向约束拉杆可有效减 缓组合柱开胶破坏，改变极限破坏模式，显著提高 极限承载力。新型的结构单元新型的结
4、构单元对竹结构房屋实现低层向高层建设、大规模批量化生产奠定了坚实的基础，对建筑业实 现节能减排、绿色可持续发展具有 深远意义。现代工程结构现代工程结构中中未广泛应用未广泛应用 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1.2 研究发展及现状研究发展及现状 竹作为主要建筑材料，辅以木材、泥浆、混凝土等材料建造房屋，增加其耐用性。据不完全统计，全球有10多亿人以竹为居。6 墨西哥竹建筑 伊朗北部度假小屋 越南咖啡屋国内外竹结构国内外竹结构 干栏式建筑 公园小筑 竹林小屋 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯
5、柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1.2 研究发展及现状研究发展及现状 现代竹结构是基于现代材料学、力学和试验学等基本理论，采用机械、化学等加工方法，将天然竹子加工成一系列的结构构件，结合现代结构的设计理念、施工方法以及维护技术等，将这些竹构件进行拼接安装从而形成的一种新型结构。7现代竹结构研究现状现代竹结构研究现状竹材集成梁/柱SBCC偏压试件SBCC轴压试件现代竹结构建筑Sinha研发了竹集成材复合梁。Bhagat 研发了竹集成材复合柱。肖岩团队肖岩团队采用竹胶合板作为材料制作了梁、柱、板、墙等结构单元），并成功地将其 应用在桥梁结构、房屋结构以及人行天桥 中。赵卫锋等赵卫锋等
6、研发了一种薄壁钢管/竹胶合板 组合空芯柱（SBCC），研究了SBCC在 轴压和偏压下的力学性能。刘学等刘学等研究了竹制建筑结构柱的抗压性能。李玉顺团队李玉顺团队研究了钢/竹组合系列结构单 元（梁、板、墙和柱）的多项力学性能。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 1.3 文章结构文章结构图图 8 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2 研究内容2.1 组合空芯柱轴压试验研究2.2 组合空芯柱数值模拟研究2.3 承载力计算理论研究9 带约束拉杆方形薄壁钢管带
7、约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究10参数参数水平水平长细比长细比截面尺寸截面尺寸/mmmm组合方式组合方式125100100A230120120B335140140C参数设置及水平试件设计试件设计 截面组合方式-A 截面组合方式-B 截面组合方式-C 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究110.5B0.5B0.5B0.5B1-10.5H0.5H0.2H0.2H0.5B
8、0.5B11拉杆布置试件设计试件设计正交表设计 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究12湖南中南神箭毛竹竹帘胶合板Q235镀锌无缝钢管屈服强度260MPa6全丝螺杆上海产喜利得500-SD化学粘结剂试件成品试件材料试件材料按设计尺寸切割竹胶板竹胶板和薄壁钢管打孔竹胶板和薄壁钢管表面处理竹胶板以及钢管粘结约束拉杆拉紧固定，并用角钢夹紧构件，加重物养护7d左右对粘结缝做后期处理，养护7d粘贴应变片 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹
9、胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究13试验加载装置荷载传感器位移传感器DH-3821静态测试系统加载方案加载方案按照木结构试验方法标准相关规定 进行加载；试件出现较大开裂破坏或变形迅速 增长时终止试验；取最大荷载值为试件极限荷载。施压：液压千斤顶通过荷载传感器；侧向变形：6个水平位移传感器；纵向变形：底部1个竖向位移传感器；应变：靠近横向约束拉杆位置12个 应变片 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究14破坏现象破坏现象Z1
10、Z6Z8Z9 长细比较大 制作装配差异 未绝对垂直 承压面不均匀 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究15破坏现象破坏现象 套箍效应 两端内缩 约束拉杆 法向拉应力大 基体胶合强度不足Z2Z4Z5Z7Z3 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究1604080120160200240280320360024681012Az1:Az2:Az3=1:1.29
11、:1.57Pz1:Pz2:Pz3=1:1.37:2.10 /mmP/kN截面尺寸/mmxmm 100 x100(Z1)120 x120(Z2)140 x140(Z3)0306090120150180210240270300024681012Az4:Az5:Az6=1:1.29:1.57Pz4:Pz5:Pz6=1:1.30:1.61/mmP/kN 截面尺寸/mmxmm 100 x100(Z4)120 x120(Z5)140 x140(Z6)0306090120150180210240270300024681012Az7:Az8:Az9=1:1.29:1.57Pz7:Pz8:Pz9=1:1.18:
12、1.56/mmP/kN 截面尺寸/mmxmm 100 x100(Z7)120 x120(Z8)140 x140(Z9)0306090120150180210240270300024681012z1:z6:z8=1:1.4:1.2Pz1:Pz6:Pz8=1:1.29:1.69/mmP/kN 截面尺寸/mmxmm 100 x100(Z1)140 x140(Z6)120 x120(Z8)0306090120150180210240270300024681012z2:z4:z9=1:0.83:1.17Pz2:Pz4:Pz9=1:1.03:1.62/mmP/kN 截面尺寸/mmxmm 120 x120(
13、Z2)100 x100(Z4)140 x140(Z9)04080120160200240280320360024681012P/kN/mmz3:z5:z7=1:0.86:0.71Pz3:Pz5:Pz7=1:1.24:1.92 截面尺寸/mmxmm 140 x140(Z3)120 x120(Z5)100 x100(Z7)因素分析因素分析 Z1、Z2、Z3长细比25 Z4、Z5、Z6长细比30 Z7、Z8、Z9长细比35 Z1、Z6、Z8组合方式A Z2、Z4、Z9组合方式B Z3、Z5、Z7组合方式C极限荷载随净截面积增大而增大，但其变化趋势是非线性的，长细比和组合方式与截面尺寸对极限荷载有交互
14、影响 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究17020406080100120140160180024681012z1:z4:z7=1:1.2:1.4Pz1:Pz4:Pz7=1:1.05:1.09 /mmP/kN 长细比/组合方式 25/A(Z1)30/B(Z4)35/C(Z7)0306090120150180210240024681012z2:z5:z8=1:1.2:1.4Pz2:Pz5:Pz8=1:0.98:0.94P/kN/mm 长细比/组合方式 25/B(Z2)30
15、/C(Z5)35/A(Z8)04080120160200240280320360024681012z3:z6:z9=1:1.2:1.4Pz3:Pz6:Pz9=1:0.81:0.81/mm 长细比/组合方式 25/C(Z3)30/A(Z6)35/B(Z9)P/kN因素分析因素分析 Z1、Z2、Z3长细比25 Z4、Z5、Z6长细比30 Z7、Z8、Z9长细比35图2、3可知长细比对试件的抗压性能有重要影响，整体上符合长细比增大极限荷载降低的规律；图1长细比与截面组合方式应对极限荷载有交互影响，定性的判断截面组合方式对承载力的影响是组合方式C大于组合方式B，B又大于A 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束
16、拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究1802040608010012014016018001000200030004000500060007000 /10-6P/kN 长细比/组合方式 25/A(Z1)30/B(Z4)35/C(Z7)03060901201501802102400100020003000400050006000 /10-6P/kN 长细比/组合方式 25/B(Z2)30/C(Z5)35/A(Z8)04080120160200240280320360010002000300040005
17、000 /10-6P/kN 长细比/组合方式 25/C(Z3)30/A(Z6)35/B(Z9)应变分析应变分析 截面尺寸100mm100mm 截面尺寸120mm120mm 截面尺寸140mm140mm相同截面尺寸情况相同截面尺寸情况下下不同试件的荷载不同试件的荷载应变关系曲线应变关系曲线，由图可知：由图可知：截面尺寸增大时，试件表现出更高的极限承载力 整体受力性能良好，直到加载结束仍基本处于弹性阶段，塑性段不明显。约束拉杆区域的应变值较小，约束拉杆有效减小了试件的开胶破坏，改变其极限破坏模式。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压
18、性能 2.1 组合空芯柱轴压试验研究组合空芯柱轴压试验研究19极限压应力比较极限压应力比较压应力值比较由表可知由表可知：SBCC的平均极限压应力为16.06MPa，而SBCCB的平均极限压应力达到了 20.29MPa，相对不带约束拉杆试件 极限压应力提高26%。前者测试值离 散性较大，标准差为2.34 MPa，后者 标准差为1.74 MPa。从数据比较以及观察测试现象可知，设置横向约束拉杆可有效减缓试件 的开胶剥离破坏，改变极限破坏模 式，对提高试件极限承载力有利，且极限承载力的离散性减小。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性
19、能 2.2 组合空芯柱数值模拟研究组合空芯柱数值模拟研究20模型建立模型建立模拟参数设置模型效果图及网格划分模型效果图及网格划分C3D8R 种子均距布置 竹胶合板和钢管间距10 约束拉杆间距5两端耦合(Coupling)，约束 U1，U2，U3三个方向自 由度，模拟铰接支座 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.2 组合空芯柱数值模拟研究组合空芯柱数值模拟研究21结果云图结果云图 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.2 组合空芯柱数值模拟研究组合
20、空芯柱数值模拟研究22结果分析结果分析结合竹胶合板及钢管应力云图，约束拉杆区域的应力集中现象，及试验中SBCCB试件以材料的压折破坏为主，这说明约束拉杆的设置在试验中起到了重要作用，设置横向约束拉杆可有效减缓试件的开胶破坏，改变极限破坏模式。约束拉杆对于试件破坏机理的改变本文不作深入探究。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.2 组合空芯柱数值模拟研究组合空芯柱数值模拟研究23024681012020406080100120140160180/mmP/kN =25,B=100mm,S=233mm 模拟 试验PP02468
21、10120306090120150180210240270300=30,B=140mm,S=419mm 模拟 试验/mmP/kN PP0246810120306090120150180210240270300=35,B=140mm,S=488mm 模拟 试验/mmP/kN PP承载力验证承载力验证压应力值比较Z1和M7 P-曲线Z6和M14 P-曲线Z9和M19 P-曲线 对应关系对应关系：Z1 M7 Z2 M8 Z3 M9 Z4 M12 Z5 M13 Z6 M14 Z7 M17 Z8 M18 Z9 M19 模拟模拟极限承载力同试验结极限承载力同试验结果吻合较好，误差不大。果吻合较好，误差不大
22、。偏差原因：偏差原因：模拟状态完全理想化-保守粘聚区设置-收敛快变形小理想铰接-约束接触差异 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.2 组合空芯柱数值模拟研究组合空芯柱数值模拟研究242025303540150180210240270300330 P/kN B=120mm B=140mm B=160mmPP80100120140160100150200250300350B/mmP/kN =20=30=40PP1.21.51.82.12.42.746810/mm St/%=20=30=40PP影响因素验证影响因素验证长细比
23、对极限荷载的影响长细比对极限荷载的影响：整体上符合长细比增大极限荷载降低的规律，其中两组较大截面的试件极限荷载受长细影响趋势显著。截面尺寸对极限截面尺寸对极限荷载荷载的的影响影响：一般极限荷载与截面尺寸存在正相关增长，且长细比较大试件的非线性趋势明显含钢率对极限变形的影响含钢率对极限变形的影响：钢材按强度等效为竹胶合板，换算面积为组合柱原净截面面积的1520%，不考虑其他因素影响，整体上极限变形能力随含钢率增大而增大 带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.3 承载力计算理论研究承载力计算理论研究25ubbbsb()sfN
24、f AfAAf211()C计算公式计算公式式中 Nu为极限承载力；fb竹胶板沿纤维方向的极限抗压强度值（16.2MPa）；fs钢材的抗压强度值（235MPa）；Ab、As试件竹胶板净截面面积、试件钢管截面面积；试件长细比；C拟合参数。sA 为工程应用提供参考，参考我国木结构设计规范的公式，建立极限承载力计算模型。为了利用理论模型来计算承载能力，假定直接采用建议组合方式B，即不考虑组合方式的影响，则承载力折减系数即为长细比影响系数（稳定系数）。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 2.3 承载力计算理论研究承载力计算理论研究2
25、6结果对比结果对比&验证验证试验值与计算值比较极限承载力模型验证 公式计算结果与试验结果比较，绝对误差小于14%，吻合良好。计算承载力模型中胶合竹板提供 的抗压承载力占组合柱总抗压承 载力的68.0%78.8%，平均 73.1%，较大程度的利用了竹材 的抗压能力。采用2个已完成的小偏压试件的测试结果验证，结果吻合较好,验证本文计算模型的可靠性。带约束拉杆方形薄壁钢管带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 3 结论与展望27（2）SBCCB试件轴心抗压极限承载力随试件的竹胶合板净截面面积增大而增大，随长细比试件轴心抗压极限承载力随试件的竹胶合板净截面
26、面积增大而增大，随长细比增大而减小，且二者有交互影响；其承载力受截面组合方式影响，组合方式增大而减小，且二者有交互影响；其承载力受截面组合方式影响，组合方式C是最佳方是最佳方式；采用有限元软件式；采用有限元软件ABAQUS进行分析，模拟结果与试验结果吻合良好，验证了影响进行分析，模拟结果与试验结果吻合良好，验证了影响因素分析的正确性。因素分析的正确性。（3）设置十字形约束拉杆可有效抑制试件的开胶破坏，改变其极限破坏模式，显著提高极限设置十字形约束拉杆可有效抑制试件的开胶破坏，改变其极限破坏模式，显著提高极限承载力。相对于的承载力。相对于的SBCC试件，试件，SBCCB试件极限压应力平均提高试件
27、极限压应力平均提高26%，离散性更小。，离散性更小。结论结论（4）参考木结构设计规范建立极限承载力计算模型，与试验结果吻合良好，绝对误差小于）参考木结构设计规范建立极限承载力计算模型，与试验结果吻合良好，绝对误差小于14%，可为工程应用提供参考。，可为工程应用提供参考。（1）带约束拉杆方形薄壁钢管）带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（竹胶合板组合空芯柱（SBCCB）试件轴心抗压破坏为柱端和）试件轴心抗压破坏为柱端和约束拉杆之间柱身的材料压折破坏和竹胶合板基体之间的开胶破坏，以材料破坏为主。约束拉杆之间柱身的材料压折破坏和竹胶合板基体之间的开胶破坏，以材料破坏为主。带约束拉杆方形薄壁钢管
28、带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能 3 结论与展望28展望展望（1）本文中本文中9根根SBCCB试件均由手工制作而成，材料的前期准备和后期粘结胶的涂抹耗费时间试件均由手工制作而成，材料的前期准备和后期粘结胶的涂抹耗费时间且结构精度存在差异，后续研究中有待提高加工制作工艺，合理运用材料，降低误差。且结构精度存在差异，后续研究中有待提高加工制作工艺，合理运用材料，降低误差。（2）本文仅对）本文仅对9根根SBCCB试件进行了试验研究，相对于已经研究成熟的木结构、钢结构、混凝试件进行了试验研究，相对于已经研究成熟的木结构、钢结构、混凝土结构来说，试验的试件数量及影响参数的设置太少，今后有待进行大量的深入研究。土结构来说，试验的试件数量及影响参数的设置太少，今后有待进行大量的深入研究。（3）测试研究中没有考虑约束拉杆直径、数量以及间距的影响，优化这些设计参数，测试研究中没有考虑约束拉杆直径、数量以及间距的影响，优化这些设计参数，SBCCB尚尚有承载力和压应力提高的潜力，可在今后的研究中探讨。有承载力和压应力提高的潜力，可在今后的研究中探讨。
