中长压弯木构件的断裂极限分析模型研究

Wood beam-column is one of the most principal components in wood structures. It is destined that wood beam-column works with cracks during its servicelife because of its foam structure and natural flaws. The stiffness degradation and the load-carrying capacity recession provoked by the propagation of cracks in wood is the major effect of the failure of wood beam-columns. Hence the ultimate-state-based analysis of wood beam-columns is not an elastic-plastic problem but a fracture problem. On the bases of the theories of composite mechanics and fractures mechanics, the fundamental problems to establish a ultimate state fracture model for the analysis of wood beam-columns will be studied in this project by means of mechanical analyzing and experimental investigation, which includes: (1) The approach to calculate the fracture parameters of mixed cracks in wood, (2) the fracture failure criteria of wood in multi-stress state, and (3) a ultimate state fracture model for analysis of wood beam-columns. The failure damage mechanism of wood beam-column will be revealed; and the failure criteria with respect to fracture parameters and the ultimate-state-based fracture failure model for design-oriented analysis are expected to be developed through this study. The achievements of this study may provide the fundamental for the fracture failure analysis of wood beam-columns based on ultimate state design philosophy.

压弯木构件是木结构中最重要的受力构件之一。木材的多孔结构与天然缺陷决定了压弯木构件必然是带裂纹工作的。外力作用下，裂纹扩展引起的刚度退化、承载力下降是压弯木构件破坏的主要因素。故压弯木构件极限分析不再是弹塑性极限问题，而是断裂极限问题。本项目以复合材料力学、线弹性断裂理论为基础，通过材料与构件断裂破坏试验及理论分析，针对建立压弯木构件断裂极限分析模型的主要科学问题展开深入研究，内容包括：（1）木材混合型裂纹断裂参数求解方法；（2）多轴应力状态下木材断裂破坏准则；（3）压弯木构件的断裂极限分析模型。通过本项目研究，揭示压弯木构件断裂破坏机理，建立含有断裂参数的木材断裂破坏准则和压弯木构件断裂失效准则；建立压弯木构件断裂极限工程实用分析模型，为压弯木构件断裂极限分析与设计提供理论依据。

压弯木/竹构件是木结构中最重要的受力构件之一。木/竹材的多孔结构与天然缺陷决定了压弯木/竹构件必然是带裂纹工作的。外力作用下，裂纹扩展引起的刚度退化、承载力下降是压弯木/竹构件破坏的主要因素。故针对压弯木/竹构件断裂破坏机理，发展相应的断裂参数求解方法，建立压弯木/竹构件承载力与变形分析的断裂极限模型，是木/竹结构极限状态设计理论亟待解决的关键科学问题。.本项目针对以下内容开展了系统研究：（1）工程木（竹）材料的断裂参数；（2）裂纹尖端分析方法；（3）压弯构件的断裂极限分析模型。通过试验研究和理论分析，取得了以下主要成果：.（1）建立了基于内聚力模型的双悬臂梁（DCB）I型断裂分析方法，给出了I型断裂试验双悬臂梁的柔度方程和断裂能计算的解析表达式，导出了裂纹张开位移解析解。通过试验验证了模型正确性；建立了基于标准DCB试验、ENF试验的木（竹）材料极限断裂能计算方法；.（2）采用变分法建立了楔形劈裂试件的裂纹尖端近场近似解，给出了计算楔形劈裂试件断裂韧度近似公式，该公式与ASTM E399给出的经验公式计算结果吻合良好。.（3）建立了考虑剪切型断裂（II型断裂）损伤的CLT柱极限承载力计算模型，给出了CLT柱层间剪力的分布规律和考虑II剪切破坏的CLT柱极限承载力计算公式。.（4）建立了实心截面柱、空心截面柱在单向和双向偏心受压状态下的极限承载力计算方法。试验证明，本项目提出的计算方法具有较高的精度。.本项目的研究成果，可为压弯木构件断裂极限分析与设计提供理论依据。