竹材集成材建筑结构柱破坏机理研究

竹集成材是将速生、短周期（通常3-5年）的竹材加工成定宽、定厚的竹片，干燥至8-12%的含水率，再通过胶粘剂将竹片同方向胶合成任意长度、任意截面的型材（通常为矩形断面或方形断面）。这种型材强度高，能满足多层建筑结构对材料物理力学性能的需求，可大规模应用于建筑结构的梁和柱，解决一般多层木结构建筑需要大径级天然木材的技术难题。针对目前国内外没有竹集成材建筑结构设计相关规范的现状，本文围绕竹集成材柱力学性能展开系列试验研究与分析。 本项目研究了竹集成材拉、压、弯、剪等基本力学性能，构建了竹集成材简化及精细应力应变本构模型；研究了制作工艺（平压、侧压、平侧相间等）、原竹部位、加载方向、试件尺寸等因素对竹集成材轴压短柱力学性能的影响规律；竹集成材在破坏过程中表现出五种典型的损伤形式，即胞壁层面损伤与层裂、胞壁屈曲与塌溃、微裂隙损伤区的形成与扩展、胶结界面损伤、胞壁断裂；考虑长细比、偏心距等因素的影响，研究了竹集成材柱破坏机理，给出了长柱和短柱的破坏特点，给出了大偏压试件和小偏压试件的破坏特点，给出了侧向变形公式、稳定系数计算公式、偏心距影响系数公式和对应极限承载力计算公式；基于竹集成材偏压柱应力应变关系模型，三种破坏模式下竹集成材偏压柱承载力计算公式；给出了相关设计建议。本项目的研究成果，丰富了竹集成材构件设计相关基本理论，推动了该领域相关研究的发展。相关研究成果为将来竹集成材结构设计相关标准或规范的制定，为竹集成材优化结构的设计、推广和应用提供试验资料、理论基础和科学依据。 本项目公开发表学术论文10篇，其中SCI论文6篇，EI论文3篇，核心期刊论文1篇；获得授权发明专利6项，实用新型专利6项。培养研究生4名。参加过国内外10多次学术交流，广泛宣传科研成果，提高研究成果的影响力。并同相关企业开展产学研合作，实现了相关科研成果的转化。

本项目针对目前国内外没有竹材集成材建筑结构设计相关规范的现状，围绕竹材集成材建筑结构柱展开试验研究与分析。该项目采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的技术路线和方法，探索结构用竹材集成材的基本力学性能及多种因素对其基本力学性能的影响，建立结构用竹材集成材应力应变关系及破坏准则；通过对竹材集成材建筑结构柱的试验研究与分析，界定出长柱和短柱；研究裂缝形态、尺度及扩展规律同破坏过程应力场变化的内在联系，揭示轴心受压长柱、短柱及偏心受压柱的破坏机理；建立竹材集成材建筑结构柱各损伤状态与设计参数的量化关系；分别提出竹材集成材建筑结构轴心受压短柱、长柱及偏心受压柱的力学计算模型；在试验研究和分析的基础上，给出竹材集成材建筑结构柱的设计方法和建议，为将来竹建筑有关规范和标准的制定，为现代竹建筑结构的推广和应用提供试验资料和理论基础。

川滇两省是我国水电开发的主要地区，由于该地区地质成因复杂，地表侵蚀卸荷严重，柱状节理玄武岩广泛分布，目前准备兴建的白鹤滩水电站就位于该地区。柱状节理玄武岩具有明显的非连续、易断裂与各向异性力学特征，属于典型的非贯通节理岩体。本项目以柱状节理玄武岩为研究对象，利用水、石膏与河砂的混合物作为柱状节理玄武岩的相似材料，借助石膏凝固的时效特性，模拟柱状节理的生成过程，并且根据现场柱状节理的几何特性，制成截面为四边形与六边形的相似模型。通过单轴压缩试验不仅获得了柱状节理玄武岩的应力-应变曲线与基本的力学特性，同时解释柱状节理玄武岩各向异性的形成机制，确定了原生节理倾角对柱状节理玄武岩强度与变形影响。而后，通过大量的原位变形观测与钻孔摄像检测，获得柱状节理卸荷过程中的力学特性、洞室边墙与顶拱的破坏模式。根据室内试验与现场观测结果，确定了柱状节理玄武岩加载与卸荷过程中岩体的力学行为与破坏模式，建立了CRDM本构模型，并在3DEC平台上开发了本构模型。利用建立的本构模型对白鹤滩柱状节理试验洞开挖过程进行了模拟，通过现场监测结果与数值模拟的比较可以发现，D-CRDM模拟方法可以很好的模拟柱状节理玄武岩的力学特性，并且能够解释现场岩体的失稳机理。根据柱状节理玄武岩在不同应力环境的力学特性与破坏模式，建议白鹤滩水电站洞室群的支护应以钢筋混凝土衬砌支护为主，锚杆支护为辅，这与传统的支护方式有一定的差别，并通过现场工程支护的实际情况证明了该支护方法的正确性。目前，白鹤滩工程还在施工过程中，不断揭露的柱状节理临空面越来越多、面积越来越大，柱状节理玄武岩的卸荷力学特性也在不断有新的进展与发现，力求在该基金的资助下继续做一些探索性的研究，获得更多有助于工程应用的科研成果。 在基金资助的三年内，撰写著作1本，发表十余篇论文，其中SCI检索3篇，EI检索2篇，培养研究生3名。 2100433B

建筑结构系统主要研究的范围有：

1. 结构元素：包括结构的支承、构件和节点三种元素，他们的材料、构成方式和互相作用关系。

2. 力的传递：研究外内力在构件中的传递、抵抗、变位、变形等行为，藉以表达建筑的律动感、调和或刻意呈现力学矛盾。

3. 特殊构造：包含在前二项范围内的一些特殊构造，有时也会特别提出探讨，如早期的拱结构、悬索结构等，或是近代广泛讨论的薄壳结构、薄膜结构等。

4. 避免灾难：由于近代建筑有巨大化的趋势，部分结构系统学者，开始针对自然横力如：地震力、风力等进行研究，主要着眼于增加建筑物之韧性，及消减建筑物与横力的共振这几方面。