CN109696355A - 一种重组复合结构竹材的长期抗拉强度的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重组复合结构竹长期抗拉强度的测定方法，属于绿色竹制建材技术领域。首先按照试样匹配方法加工出用于短期力学试验和长期力学试验的重组复合结构竹抗拉试件；通过短期力学试验，确定长期力学试验所应施加的应力水平；通过长期力学试验，得到竹抗拉试件的破坏时间；以重组复合结构竹抗拉试件的强度比为独立变量，对重组复合结构竹抗拉试件的破坏时间进行回归分析，得到拟合参数值；根据重组复合结构竹构件实际所设计的使用设计年限，计算得到该使用设计年限重组复合结构竹所对应的长期抗拉强度。本发明方法准确定量地评估重组复合结构竹的长期抗拉强度，测定结果可以作为重组复合结构竹在建筑结构中的应用和推广的数据支持。

Description

一种重组复合结构竹材的长期抗拉强度的测定方法
技术领域
本发明涉及一种重组复合结构竹材的长期抗拉强度的测定方法，属于绿色竹制建材领域。
背景技术
重组复合结构竹材是由竹材经过碾压、干燥、浸胶和施压而制成的一种新型竹制复合材料，其在绿色建材领域具有广阔的应用前景。由于重组复合结构竹材是一种典型的生物质材料，其在长期载荷下会发生强度降低的现象，确定重组复合结构竹材长期强度指标是其应用于建筑结构领域的前提。但由于缺乏重组复合结构竹的长期强度的测定方法，无法准确定量地评估重组复合结构竹的长期强度，导致重组复合结构竹目前仍主要应用于地板、家具、集装箱地板等非结构应用领域中，重组复合结构竹产品的附加值低。通过提出重组复合结构竹的长期抗拉强度的测定方法，准确定量地评估重组复合结构竹的长期抗拉强度，对推进重组复合结构竹在建筑结构领域的应用，具有十分重要的意义。经有关文献和资料检索，如林产工业2015年第42卷第4期第3～6页的“竹质工程材料的蠕变性能研究现状”、林业工程学报2014年第28卷第3期第82～86页的“竹材蠕变应力指数的确定”、林业科技开发第2013年度27卷第3期第46～49页的“竹材的拉伸短期蠕变行为及模拟”。从上述方法和文献中，并未发现相近似的评定技术内容。
发明内容
本发明的目的是提出一种重组复合结构竹材的长期抗拉强度的测定方法，准确定量地评估重组复合结构竹的长期抗拉强度，以测定的长期抗拉强度为依据，推进重组复合结构竹从地板、家具等非结构应用领域向建筑结构应用领域的转变。
本发明提出的重组复合结构竹材的长期抗拉强度的测定方法，包括以下步骤：
(1)将待测重组复合结构竹加工成2n个抗拉试件，每个抗拉试件的形状为哑铃状，哑铃状抗拉试件的两个端部的横截面尺寸为50×20mm，抗拉试件的中心横截面尺寸为5×20mm，将2n个试件中的n个抗拉试件用于短期力学试验，2n个试件中的另外n个抗拉试件用于长期力学试验；
(2)通过短期力学试验，确定对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力，具体过程如下：
(2-1)对步骤(1)用于短期力学试验的n个抗拉试件分别进行测试，抗拉试件在3～5分钟破坏，记录抗拉试件破坏时的载荷，根据破坏时的载荷，分别计算所有抗拉试件的短期强度，将所有抗拉试件的短期强度的平均值记为m，将所有抗拉试件的短期强度从小到大进行排序，将排序后的短期强度记为fi，i＝1,…k…,,n，将与短期强度fi对应的累积破坏频率记为Ci，i＝1,…k…,,n，Ci＝(i+1)/(n+1)；
(2-2)根据步骤(2-1)得到的短期强度fi和累积破坏频率Ci，顺序号k所对应的短期强度为fk、累积破坏频率Ck，顺序号k的取值应满足：0.05≤Ck＝(k+1)/(n+1)≤0.5，求解该不等式，得到k的值，进而得到与k对应的短期强度fk，将fk作为对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力S，S＝fk；
(3)通过长期力学试验，确定待测重组复合结构竹材的长期载荷抗拉力学性能，具体过程如下：
(3-1)根据步骤(2-2)得到长期力学试验时应施加的应力S，对步骤(1)的另外n个抗拉试件进行长期力学试验，分别得到n个抗拉试件的破坏时间，将n个抗拉试件的破坏时间进行从小到大排序，从小到大排序后的破坏时间记为Ti，i＝1,……,n；
(3-2)从上述Ti中，得到破坏时间小于5分钟的抗拉试件的总数量，记为g，由于对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时施加的应力为S，而S＝fk，进而得到g＝k；
(3-3)计算步骤(3-2)中破坏时间Ti大于5分钟的抗拉试件的强度比qi，qi＝S/fi，其中fi为步骤(2-1)的短期强度；
(4)将上述步骤(3-1)中的破坏时间Ti作为独立变量，对上述步骤(3-3)中的强度比qi进行回归分析，得到拟合参数值A、B：qi＝A+Blog(Ti)；
(5)设定一个重组复合结构竹设计使用年限L，利用拟合参数值A、B，计算得到与设计使用年限L所对应的重组复合结构竹的长期抗拉强度比Q：Q＝A+Blog(L)，再根据步骤(2-1)得到的所有抗拉试件的短期强度的平均值m，得到重组复合结构竹的长期抗拉强度fL，fL＝m×Q。
本发明提出的重组复合结构竹长期抗拉强度的测定方法，其优点是：
本发明的测定方法中，设计的重组复合结构竹抗拉试件，可保证破坏处位于重组复合结构竹试件的中间段位置，因此获取的短期力学试验数据和长期力学试验数据均为有效数据；本发明测定方法中用于短期力学试验和长期力学试验的两组重组复合结构竹抗拉试件，采用试样匹配法，因此两组重组复合结构竹抗拉试件的初始强度无显著差异；本发明测定方法综合短期力学试验和长期力学试验结果，建立重组复合结构竹抗拉试件的强度比和破坏时间的关系模型，可以快速准确地计算重组复合结构竹构件在使用设计年限下所对应的强度。本发明方法能够准确定量地评估重组复合结构竹的长期抗拉强度，测定结果可以为重组复合结构竹在建筑结构中的应用和推广提供可靠的数据支持。
附图说明
图1是本发明方法中涉及的重组复合结构竹抗拉试件的示意图。
图2是本发明方法中涉及的重组复合结构竹抗拉试件的累积破坏频率的示意图。
具体实施方式
本发明提出的重组复合结构竹的长期抗拉强度的测定方法，包括以下步骤：
(1)将待测重组复合结构竹加工成2n个抗拉试件，每个抗拉试件的形状为哑铃状，如图1所示，哑铃状抗拉试件的两个端部的横截面尺寸为50×20mm，抗拉试件的中心横截面尺寸为5×20mm，将2n个试件中的n个抗拉试件用于短期力学试验，2n个试件中的另外n个抗拉试件用于长期力学试验；
(2)通过短期力学试验，确定对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力，具体过程如下：
(2-1)对步骤(1)用于短期力学试验的n个抗拉试件分别进行测试，抗拉试件在3～5分钟破坏，记录抗拉试件破坏时的载荷，根据破坏时的载荷，分别计算所有抗拉试件的短期强度，将所有抗拉试件的短期强度的平均值记为m，将所有抗拉试件的短期强度从小到大进行排序，将排序后的短期强度记为fi，i＝1,…k…,,n，将与短期强度fi对应的累积破坏频率记为Ci，i＝1,…k…,,n，Ci＝(i+1)/(n+1)；
(2-2)根据步骤(2-1)得到的短期强度fi和累积破坏频率Ci，顺序号k所对应的短期强度为fk、累积破坏频率Ck，顺序号k的取值应满足：0.05≤Ck＝(k+1)/(n+1)≤0.5，求解该不等式，得到k的值，进而得到与k对应的短期强度fk，将fk作为对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力S，S＝fk；
(3)通过长期力学试验，确定待测重组复合结构竹材的长期载荷抗拉力学性能，具体过程如下：
(3-1)根据步骤(2-2)得到长期力学试验时应施加的应力S，对步骤(1)的另外n个抗拉试件进行长期力学试验，分别得到n个抗拉试件的破坏时间，将n个抗拉试件的破坏时间进行从小到大排序，从小到大排序后的破坏时间记为Ti，i＝1,……,n；
(3-2)从上述Ti中，得到破坏时间小于5分钟的抗拉试件的总数量，记为g，由于对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时施加的应力为S，而S＝fk，进而得到g＝k；
(3-3)计算步骤(3-2)中破坏时间Ti大于5分钟的抗拉试件的强度比qi，qi＝S/fi，其中fi为步骤(2-1)的短期强度；
(4)将上述步骤(3-1)中的破坏时间Ti作为独立变量，对上述步骤(3-3)中的强度比qi进行回归分析，得到拟合参数值A、B：qi＝A+Blog(Ti)；
(5)设定一个重组复合结构竹设计使用年限L，利用拟合参数值A、B，计算得到与设计使用年限L所对应的重组复合结构竹的长期抗拉强度比Q：Q＝A+Blog(L)，再根据步骤(2-1)得到的所有抗拉试件的短期强度的平均值m，得到重组复合结构竹的长期抗拉强度fL，fL＝m×Q。
以下介绍本发明方法的一个实施例：
(1)本发明方法的一个实施例中，将待测重组复合结构竹材加工成200个抗拉试件，抗拉试件的端部横截面尺寸为50×20mm、中间段横截面尺寸为5×20mm，如图1所示，按照试样匹配方法，将100个抗拉试件用于短期力学试验，另外100个抗拉试件用于长期力学试验；
(2)通过短期力学试验，确定长期力学试验所应施加的应力水平，具体过程如下：
(2-1)将步骤(1)用于短期力学试验的100个抗拉试件进行测试，抗拉试件在3～5分钟破坏，所有抗拉试件的短期强度的平均值记为m，m＝154.56MPa，将从小到大排序后的每个抗拉试件的短期强度，记为fi(i＝1,……,100)，短期强度fi所对应的累积破坏频率，记为Ci(i＝1,……,100)，Ci＝(i+1)/101，如图2所示，图2中的横坐标为立即破坏频率，纵坐标为抗拉强度，“△”标识的为短期力学试验结果，“○”标识的为长期力学试验结果；
(2-2)根据步骤(2-1)得到的短期强度fi和累积破坏频率Ci，顺序号k＝15所对应的短期强度为fk，fk＝f15＝121.58MPa，累积破坏频率为Ck，Ck＝C15＝(15+1)/101＝0.158，最终确定长期力学试验所应施加的应力水平S，S＝fk＝121.58MPa；
(3)通过长期力学试验，确定重组复合结构竹的长期载荷抗拉力学性能，具体过程如下：
(3-1)将步骤(1)用于长期力学试验的100个抗拉试件进行测试，施加的应力大小为步骤(2-2)所确定的应力水平S＝121.58MPa，将从小到大排序后的每个抗拉试件的破坏时间，记为Ti(i＝1,……,100)；
(3-2)在施加应力水平S＝121.58MPa的过程中，步骤(3-1)中破坏时间Ti不大于5分钟的抗拉试件总数量，记为g，g＝k＝15，步骤(3-1)中破坏时间Ti大于5分钟的抗拉试件总数量，记为h，h＝100-k＝100-15＝85；
(3-3)根据步骤(2-1)得到的短期强度fi(i＝16,……,100)，对于步骤(3-1)和步骤(3-2)中破坏时间Ti大于5分钟的每个抗拉试件的强度比，记为qi(i＝16,……,100)，qi＝S/fi；
(4)以上述步骤(3-1)中的破坏时间Ti(i＝16,……,n)为独立变量，对上述步骤(3-3)中的强度比qi(i＝16,……,n)进行回归分析，得到拟合参数值A、B：qi＝[A+Blog(Ti)]/100，拟合参数值A＝91.5、B＝-4.5：qi＝[91.5-4.5log(Ti)]/100；
(5)根据重组复合结构竹构件实际所设计的使用设计年限L＝50年，代入到步骤(4)的回归方程中，得到使用设计年限L＝50年所对应的强度比Q，Q＝[91.5-4.5log(365×L)]/100＝0.473，再根据步骤(2-1)得到的所有抗拉试件的短期强度的平均值m，m＝154.56MPa，得到重组复合结构竹的长期抗拉强度fL，fL＝m×Q＝154.56×0.473＝73.11MPa。

Claims (1)

1.一种重组复合结构竹的长期抗拉强度的测定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将待测重组复合结构竹加工成2n个抗拉试件，每个抗拉试件的形状为哑铃状，哑铃状抗拉试件的两个端部的横截面尺寸为50×20mm，抗拉试件的中心横截面尺寸为5×20mm，将2n个试件中的n个抗拉试件用于短期力学试验，2n个试件中的另外n个抗拉试件用于长期力学试验；
(2)通过短期力学试验，确定对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力，具体过程如下：
(2-1)对步骤(1)用于短期力学试验的n个抗拉试件分别进行测试，抗拉试件在3～5分钟破坏，记录抗拉试件破坏时的载荷，根据破坏时的载荷，分别计算所有抗拉试件的短期强度，将所有抗拉试件的短期强度的平均值记为m，将所有抗拉试件的短期强度从小到大进行排序，将排序后的短期强度记为fi，i＝1,…k…,,n，将与短期强度fi对应的累积破坏频率记为Ci，i＝1,…k…,,n，Ci＝(i+1)/(n+1)；
(2-2)根据步骤(2-1)得到的短期强度fi和累积破坏频率Ci，顺序号k所对应的短期强度为fk、累积破坏频率Ck，顺序号k的取值应满足：0.05≤Ck＝(k+1)/(n+1)≤0.5，求解该不等式，得到k的值，进而得到与k对应的短期强度fk，将fk作为对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时应施加的应力S，S＝fk；
(3)通过长期力学试验，确定待测重组复合结构竹材的长期载荷抗拉力学性能，具体过程如下：
(3-1)根据步骤(2-2)得到长期力学试验时应施加的应力S，对步骤(1)的另外n个抗拉试件进行长期力学试验，分别得到n个抗拉试件的破坏时间，将n个抗拉试件的破坏时间进行从小到大排序，从小到大排序后的破坏时间记为Ti，i＝1,……,n；
(3-2)从上述Ti中，得到破坏时间小于5分钟的抗拉试件的总数量，记为g，由于对待测重组复合结构竹材进行长期力学试验时施加的应力为S，而S＝fk，进而得到g＝k；
(3-3)计算步骤(3-2)中破坏时间Ti大于5分钟的抗拉试件的强度比qi，qi＝S/fi，其中fi为步骤(2-1)的短期强度；
(4)将上述步骤(3-1)中的破坏时间Ti作为独立变量，对上述步骤(3-3)中的强度比qi进行回归分析，得到拟合参数值A、B：qi＝A+Blog(Ti)；
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