腹板开孔的竹工字梁受力性能与破坏机理研究

Web opening is often encountered in the applicantion of bamboo I-beam. Compared with the normal composite I-beam. Holes in the webs will significantly change the mechanical performance and failure mechanism of the original joists, reduce its strengthen and stiffness eventualy. The great impediment to the popularization and application of green bamboo-wood structure is that there is no mature failure theory and calculation method of the I-beams. Thereforce, the methods of experimental study will be used to continuously tracking the process of crackings, to investigate the load transfer model of bamboo I-beam web openings at different opening conditions，the influence of hole spacing, size, shape and other factors on the crack mechanism and mechanical performance are revealed, furthermore, calculation method and theoretical model of this beam with different parameters will be established.To study reinforcement effect and failure mechanism of different reinforcement measures on the web holes, then, the applicantion scope of reinforcement and design methods will be proposed. Finally, the numerical simulation is used for 3D reconstruction of the failure process of the beams with openings, which can intuitive show the evolution of the microstructure formation process to failure,the corresponding formula for calculating the shear strength and structural suggestions will be adviced, based on the model of load transfer. The project can establishing the theoretical calculation design of bamboo beams with web openings.

腹板开孔是竹工字梁使用过程中常常遇到的问题，与腹板非开洞情况时的梁相比，孔洞会使原结构的受力性能和破坏机理发生显著变化，并最终导致其刚度和强度下降。国内外至今仍没有成熟的统一破坏理论和计算方法，严重阻碍了其在工程领域中的推广应用。本项目将采用试验研究的方法，原位、持续地追踪观测腹板孔洞处的裂纹开展历程全貌，探讨腹板开洞的竹工字梁在不同开洞情况下的传力模式，揭示孔洞间距、大小、形状等因素对裂缝机理及组合梁力学性能的影响规律，建立开洞梁的设计计算理论与理论模型；研究不同补强措施对腹板孔洞处的加固效果和受力机理的影响，提出不同加固补强措施的适用范围和设计计算方法。最后，利用数值模拟方法对开洞梁破坏全程进行3D重构，直观展现其开裂直至最终丧失承载力过程，并依据其传力模式提出相应的承载力计算公式和构造建议。本项目将为建立腹板开洞的竹工字梁的设计计算理论奠定科学基础。

中国竹材资源十分丰富，且竹子的种植面积、蓄积量及其加工水平，均居世界产竹国之首。与木材相比，竹材具有强度高、韧性好、生长快、硬度大的优点，是一种建筑行业的理想材料。合理的开发利用竹材，“以竹代木”是缓解木材供需矛盾的有效途径之一，同时也有利于降低对钢材、水泥等传统建筑材料的依赖。本项目提出了一种以定向刨花板（OSB）为腹板骨架，腹板与竹集成材以环氧树脂胶黏剂和钉子连接而成的一种新型胶合竹-木工字梁。主要结论如下：. 1.研究了加载角度对OSB的轴心拉、压力学性能的影响，提出并验证了OSB应力-应变本构模型。. 2.研究了竹集成材顺纹方向的轴心拉、压力学性能的影响，提出并验证了竹集成材应力-应变本构模型。. 3.提出了一种新型的以OSB为腹板的竹工字梁，并探讨了加劲肋、孔洞尺寸、孔洞形状、孔间净距等参数对组合梁承载能力、挠曲性能和破坏机理的影响。. 4.加劲肋能显著提高工字梁的极限承载力，提高幅度为3.4%~38.0%，对极限位移的提高幅度约为1.7%~12.6%。加劲肋增强后的工字梁的初始抗弯刚度亦有大幅提高，提高幅度为10%~30%。. 5.开孔梁的应力分布、挠度变化不再完全符合传统弯曲理论。当径腹比小于25%时，孔洞对开洞梁承载力的影响可忽略不计。当径腹比大于25%时，随着圆洞直径的增大，开洞梁的承载力呈显著下降趋势，破坏形态以孔周受拉或受压破坏为主。. 6.对于径腹比为0.5的多洞口梁而言，当方洞和圆洞净距分别大于2倍和2.5倍孔边长时，可忽略洞口间的相互影响。. 7.提出了基于空腹桁架理论的腹板开洞工字梁的设计计算理论，并进行了验证。. 8.粘贴OSB加固后，开洞梁的开裂荷载较未加固开洞梁平均提高52.9%，达到允许挠度时的荷载平均提高21.1%，极限荷载提高2.2%~67.5%。承载能力的提高幅度与连接板类型密切相关，其中采用C-OSB连接板加固开孔梁的提高幅值最大。