重组竹的本构关系及其基本构件的受弯与偏心受压非弹性分析理论

Parallel Strand Bamboo (PSB) is an oriented fiber reinforced composite and is a high strength renewable material of great potential use in building constructions. To built constitutive law of this material and to develop the theory for inelastic analysis of PSB frame members in bending and in eccentric compression are key problems to be solved in structural analysis and design. To achieve this purpose, this research deals with PSB as orthotropic and transversely isotropic material. By theoretical analysis based on the theories of mechanics of composites and the fracture mechanics and by experimental study,the stress-strain relationships of PSB will be investigated and the physical equation of multi-axial stress state is expected to be founded; the damage mechanism and the crack expanding criteria will be studied and the failure criteria with respect to the stress tensor and the crack expanding will be built; and the failure modes and the damage mechanism of PSB elementary members in bending and in eccentric compression will be disscused, the progressive damage process of the members are expected to be described as the function with respect to the cracking, fracturing, and yielding of materials, so that the philosophy of nonlinear analysis of strength and deformation of the members can be proposed. Through the implemention of this research, the constitutive law of PSB and the theory for inelastic analysis of PSB elementary members in bending and in eccentric compression are expected to be developed.

重组竹是一种纤维定向增强复合材料，是极具潜势的绿色高强结构材料。建立重组竹的本构关系及其基本构件在非弹性工作状态下受弯、偏心受压强度与变形分析理论，是重组竹结构分析与设计亟待解决的关键科学问题。为此，本项目将重组竹理想化为横观各向同性正交异性（orthotropic and transversely isotropic）材料，以复合材料力学、断裂力学理论为基础，通过试验与理论分析：研究重组竹材料的应力-应变关系，建立多轴应力状态下材料物理方程；研究重组竹的破坏机理、断裂条件，以应力张量和断裂条件为变量描述其破坏准则；研究重组竹基本构件的受弯、偏心受压破坏模式与破坏机理，以构件内部裂纹扩展、材料断裂和屈服的发展描述其渐进性破坏过程，建立重组竹构件受弯与偏心受压强度与变形分析方法。通过本项目研究，建立重组竹的本构关系及其基本构件的受弯与偏心受压非弹性分析理论。

重组竹是将干燥后的竹束顺纹组坯，在一定的压力和温度下胶合而成的一种竹基复合材料。重组竹的力学性能稳定，强度与刚度均优于常用结构木材，是一种理想的绿色、可再生工程材料，可用于建造多、高层建筑结构或大跨结构。试验表明，极限状态下重组竹的非线性响应明显，采用线弹性理论不能准确预测重组竹构件的极限承载力与变形。故建立重组竹本构关系及其基本构件在极限状态下的非弹性分析方法，是多、高层重组竹结构设计中亟待解决的关键科学问题。.为了解决上述科学问题，本项目针对以下内容开展了系统研究：（1）重组竹本构关系；（2）重组竹受弯构件的非弹性分析模型；（3）重组竹压弯构件的非弹性分析模型。通过试验研究和理论分析，取得了以下主要成果：.（1）重组竹的顺纹受拉和受剪应力-应变关系呈线性，其他应力状态下的应力-应变关系均呈明显非线性。本项目通过试验，给出了重组竹的顺纹、与横纹受拉、受压和纯剪切应力—应变关系方程；.（2）应用欧拉梁理论，考虑重组竹拉压本构关系的差异，建立了重组竹受弯构件（包括重组竹梁、竹空心楼板、CFRP增强重组竹梁）的非弹性分析模型，导出了受弯构件极限承载力与变形计算公式。通过试验验证了模型正确性；.（3）建立了重组竹中长压弯构件的非弹性分析模型，导出了偏心受压构件的极限承载力与变形计算公式；提出了重组竹压弯构件极限变形计算的弹性挠度修正发。试验证明，本项目提出的方法具有较高的精度；.（4）基于本项目研究成果，开展了工程示范研究。分别在福建省邵武市和江苏省南京市建造了2幢工程竹结构示范建筑。.本项目的研究成果，可为编制工程竹结构技术规程提供理论依据。