FRP原竹抗压力学性能研究开题报告

 2021-08-08 01:08

1. 研究目的与意义

21世纪以来,建筑行业是我国经济支柱行业,其中全国32%的能源消耗来自于建筑消耗。伴随人口剧增和城市化进程加快,高层钢筋混凝土结构依旧是建筑主流,但在国家大力倡导绿色建筑材料和装配式建筑的浪潮下,越来越多的学者将目光投向了中国自古以来就闻名世界的木结构建筑。我国林木资源稀缺,人均木材占有量远低于世界平均水平,家居装饰等对木材的需求更是导致木材成本昂贵。1995年张齐生院士首先提出以竹代木的构想,竹材的力学性能与木材力学性能相近,且我国竹资源丰富,可以作为木材的替代品使用到建筑结构中。因此,竹材在我国的研究应用在近年来开始受到广泛学者的关注。

很多工程无法直接选择天然毛竹圆竹作为结构试件,需要对毛竹圆竹进行一系列物理化学加工,即改性竹材。现代学者进行了多种尝试,常见的是改变竹材的生物质环境,如温湿度处理、气干、蒸煮、低温等,本文所介绍的炭化毛竹也是其中之一。

研究表明,毛竹经过炭化后各项基本力学性能有所降低,耐腐性和抗裂性能提高,为保证炭化毛竹性能满足结构用材标准,可以采取加强箍或FRP约束等方法提高其强度,这样既可以弥补天然毛竹的一些不利缺陷,又能满足强度要求。

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2. 国内外研究现状分析

目前,对竹材力学性能的研究测试多是以竹片作为测试单元,探讨竹龄、竹秆部位、方向等对竹材物理力学性质的影响,由于竹材的生物质特点,又是各向异性材料,其力学性能有明显变异性,主要受到位置、方向、含水率等影响。竹材维管束整齐轴向排列,使得其具有较高的刚度和强度,维管束外侧竹青强度高于内侧竹黄,是因为维管束密度由内至外增加,纤维越来越紧密,因此竹材顺纹抗拉试验中往往是竹黄一侧先开裂破坏,Harrie等总结了竹材力学性能的主要测试方法并数据证明竹壁外侧比内侧的力学强度大。

竹节是竹材外观的一大典型特征,竹节和节间力学性能不同,现代研究文献多为节间力学性能报道,关于竹节材性研究较少。曾其蕴对毛竹刨平竹节,未去除竹青竹黄进行了材性试验发现,带竹节毛竹顺纹抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度均有一定下降,横纹抗拉和抗劈强度增大。但刨平竹节损坏了竹材内部结构,结果欠妥,邵卓平等在此基础上对未刨平带竹节的圆竹进行基本力学性能试验,进一步比较了竹节与节间力学差异,结果发现:顺纹抗拉时,含竹节较节间荷载降低了18%,去除竹青竹黄和竹节后,竹节部强度较节间降低33%;抗弯试验时,节部试件抗弯强度高于节间23%,这说明竹子在自然状态下使用,因节部组织增大可以明显增强竹杆的抗弯能力,而含竹节不会降低竹制品的弯曲强度;顺纹抗剪中抗剪强度节间高于竹节29%;顺纹抗压试验发现节间顺纹抗压强度比节间高6-7%。因此在对圆竹材性试验时,应区分对待竹节和节间,明确二者力学性能结果差别。

含水率对竹材顺纹抗压、抗拉、抗剪强度及弹性模量等力学性能影响很大。气干后竹材的力学性能要优于新鲜竹材;但当竹材处于绝干条件下时,因其质地变脆反而下降。Xu等对不同含水率的毛竹进行了力学性能的试验研究,研究表明,当含水率在30%以内时,随含水率的增高圆竹力学性能下降很快;当含水率大于30%后,圆竹力学性能的劣化并不明显;并提出了圆竹顺纹抗压强度与含水率之间的关系式。含水率的变化会引起竹材密度、干缩及强度的变化,横纹抗拉和弦向静曲强度与竹材含水率关系不明显。

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3. 研究的基本内容与计划

1.基本力学性能试验

为比较毛竹炭化前后力学性能差异,按照《建筑用竹材物理力学性能试验方法JP/T 199-2007》进行含水率、顺纹压缩、拉伸、抗剪和弦向抗弯试验。

1.1含水率

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4. 研究创新点

过去对炭化毛竹研究多是工艺研究和炭化前后性能差异比较,如今炭化工艺较为成熟,对毛竹进行炭化处理后提高了其耐腐等性能,但对其力学性能一系列影响参数的研究鲜有报道。

在前人的成果下,利用FRP加固炭化毛竹提高其承载力方法有效可行,同时可以设置加固量、加固位置等变化参数进一步研究炭化毛竹加固后力学响应。

炭化毛竹属于新型改性竹材,炭化处理后基本力学性能降低可考虑使用FRP材料提高强度和刚度,其力学模型有待研究。本试验将研究单根和多根重组柱的抗压性能,并分析不同长细比对抗压结果的影响,截取节间短柱,考虑不同位置、不同直径和FRP加固的方式研究炭化毛竹抗压性能。

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