正交胶合木构件受压失稳机理及计算方法研究

On the historical background of developing green building and building industrialization, modern timber architecture, which complies with the design theory of engineering structure and built with modern timber products and connecting technology, is becoming the direction of development of future architecture. Cross-laminated timber (CLT) is a kind of newly developed modern timber product. It is good in performance, can be manufactured on a large scale, and is suitable to build multi-strory and high rise timber buildings. The research and application of CLT is a hot issue in recent years and the design theory of the CLT members is improving. However, the buckling mechanism of CLT is not clear so far and no accurate calculation method available for the stability capacity. Based on existing research results on buckling of timber members and performance of CLT properties, this project will: based on the theory for stability of column, considering the contribution of the strip-like cross-section and rolling shear of the transverse layer to the buckling properties of CLT, develop a design and calculation method of stability capacity for the column like members; based on the buckling theory for plate and shell, considering the he anisotropy and elastoplasticity of laminations, develop a design and calculation method of stability capacity for the plate like members; develop a constitutive model of wood under complex state of stress and verify and amend the proposed design and calculation method by investigating the buckling properties of CLT by test and simulation. It is expected that the buckling mechanism can be clarified by this project, and practical calculation method can be developed. This project will help to improve the design theory of CLT and can promote the engineering application of CLT.

在发展绿色建筑及建筑工业化的浪潮下，按工程结构理论设计、采用现代木产品和连接技术的木结构是未来建筑的重要发展方向。正交胶合木是一种新型现代木产品，性能优、可工业化生产、适于多高层建筑，是近年研究与应用的热点，其基本构件的设计计算理论正在完善中，但正交胶合木构件的受压失稳机理尚未阐明，稳定承载力算法也处于缺失状态。本项目在前期对木构件稳定问题和正交胶合木性能研究的基础上：以压杆稳定理论为基础，考虑其特有的条纹状截面结构及横向层的滚动剪切变形对稳定性的影响，提出“杆式”构件的稳定承载力算法；以板壳屈曲理论为基础，考虑层板各向异性和弹塑性对稳定性的影响，提出“板式”构件的稳定承载力算法；开发可描述复杂应力状态下木材行为的本构模型，试验和数值分析结合，探究其失稳规律，验证并修正提出的算法。本项目可阐明正交胶合木构件受压失稳机理，提出实用设计计算方法，对完善其设计计算理论及推动其工程应用有重要作用。

正交胶合木受压构件的稳定承载力是影响多高层木结构安全的关键性能之一。然而目前国内外对正交胶合木受压构件的失稳机理未进行深入研究，其稳定承载力计算方法也处于缺失状态。与一般胶合木相比，正交胶合木横纹层的分布及材性对构件的稳定承载力有重要影响，但具体影响规律不明。针对该科学问题，本项目采用试验、理论分析和数值分析相结合的方法展开研究，主要得到了如下成果和结论：（1）在试验研究基础上，基于基本力学原理推导了木材在极坐标系和直角坐标系下的弹性常数转化关系，探明了木材滚动剪切模量随纹理变化的规律和机理。发现直角坐标系下的滚动剪切模量并非常数，而是与木材纹理相关的函数，而极坐标系下的滚动剪切模量才是木材的真实材性参数，故在试验标准中应规定试件的纹理方向。（2）在试验和理论分析的基础上，研究了横向剪切对“杆式”正交胶合木受压构件稳定承载力的影响规律，根据正交胶合木构件的截面形式特征，创新地提出将其视为分肢柱来，推导建立了“杆式”正交胶合木受压构件换算长计算公式，与现有一般产品稳定系数计算公式相结合，提出了“杆式”正交胶合木受压稳定承载力计算方法。（3）采用三维有限元模型进行数值分析，研究了不同高宽比、不同荷载作用长度对“板式”正交胶合木受压构件稳定承载力的影响规律。基于数值分析结果和基本力学理论，创新地提出将“板式”正交胶合木构件受压构件等效为“杆式”正交胶合木构件进行设计计算的思想，并且提出了等效宽度的计算方法，从而建立了“板式”正交胶合木构件受压稳定承载力的计算方法。（4）采用试验和理论分析相结合的方法，结合最弱链理论，得到了正交胶合木受压构件的尺寸效应系数，基于蒙特卡罗法，建立了抗压强度预测模型。本项目研究在理论上阐明了层板材料性能、组胚方式等因素对正交胶合木构件稳定性能的影响规律，并提出了简洁合理的稳定承载力计算方法，完善了正交胶合计算理论和方法，具有很好的应用价值。