结构复合木材SCLT型主梁的疲劳评估.docx

结构复合木材SCLT型主梁的疲劳评估.docx

《结构复合木材SCLT型主梁的疲劳评估.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结构复合木材SCLT型主梁的疲劳评估.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

结构复合木材SCLT型主梁的疲劳评估

结构复合木材（SCL）T型主梁的疲劳评估

摘要

结构复合木材（SCL）是完全可以最大强度、刚度和有效地利用木材的设计。

目前，运输部门特别是农村和其他低交通流量的道路正在使用SCL变型产品。

市售预制SCL主梁日益普及。

由于这些梁要承受无数次重复轮载，所以其疲劳性能是一个严重的问题。

当前研究借助一台应力控制测试设备测试12根新采购的，有20英尺长SCLT型主梁的弯曲疲劳。

美国公路桥梁设计规范荷载施加于梁。

荷载加载循环次数与六十年里预计的交通量是一样的。

将横向后张力施加到梁上，使其成为一根处于工作下的梁，用其模拟应力层叠甲板效果。

研究结果表明，SCLT型主梁能够承受重复载荷。

大多数梁没有遭受任何严重物理损坏。

一些梁在SCL-环氧接口处开裂和分离。

静止状态下加载至破坏期间梁没有出现任何重大损坏归功于疲劳。

将疲劳梁的残余力量与用类似材料制成的新制横梁的最终抗弯强度进行比较。

1引言

多年来，工程木材行业已经用自己的资源来研究和开发利用大量木材的先进的复合材料。

由此产生的木制品与传统的木材产品相比，能提供更好的结构强度，耐用性和对环境破坏更高的抵抗力。

一种这样的材料是在过去大约三十年里出现的结构复合木材（SCL）[Winistorfer和Steudel，1997]。

SCL是由薄贴面或条状的和结合结构环氧树脂的木材做出来的，然后压缩形成坯段。

生产过程中消除了普通强度，而它又能减少固体锯木材的一些缺陷，如结、关节、昆虫的袭击和变形。

最终产品是一种替代传统的锯材的建材。

这些新产品拥有极佳的防腐剂渗透性能，和具有更高的构成材料性能和均匀性。

SCL的这些高性能特征使其在建筑行业中I型梁、T型梁、抗剪板等领域得到其越来越多地使用。

最近，交通运输行业也开始将SCL运用在铁路、行车桥、海洋结构物、路标和电线杆还有声音墙[Trusjoist，2005]。

从上世纪80年代开始，能够承受车辆装载的SCL主梁被部署在低交通流量的森林和乡村道路上[Ritter等人，1996]。

这些由预制SCLT型梁或箱型梁构成的桥梁，与钢材或混凝土梁相比便宜得多。

这也很容易安装使用商业广告六十年的使用寿命。

由于它们的相对较新的介绍，在所要求的工作寿命内，这些梁的结构性能必须被检查。

随着每年的交通量不断增加，这些梁被期待能经受住巨大的车辆荷载。

这可能会造成相当大的疲劳。

然而，这些梁的疲劳性能都还有待证明。

当前研究借助一台应力控制测试设备测试12根新采购的，有20英尺长SCLT型主梁的弯曲疲劳。

这些梁是20英尺长而构成SCL类型和防腐剂变化的长期满刻度的样本。

常规的疲劳研究做法中，是对大量相同的样本在不同应力比循环加载下确定相应的疲劳寿命。

传统的压力比与疲劳寿命或SN曲线然后如下，它提供了有关的材料的疲劳性能的想法。

由于SCLT型梁价格高和时间限制，这样的方法不属于当前研究的范围。

一个更实际的做法让梁在模拟梁在现实交通状况下工作期间承受相应的疲劳。

在这样的循环荷载下梁的性能能被观察和及时的报道。

2当前工艺状况

疲劳是指渐进本地化永久性结构变化过程，发生于材料在某些点产生持续或波动的应力和应变，这可能导致材料在一些时日或足够数目后波动后产生裂缝或完全破裂[Smith等人，2003]。

因为他们最近的创新，没有实际的SCLT型梁疲劳数据可用。

对SCL材料本身的疲劳性能的显着调查也稀少。

诺林和林（1998）研究了花旗松单板层积材（LVL）的疲劳行为。

他们用更小尺寸的样本，使其承受平均静态强度平均应力水为95％，91％和83％循环荷载。

他们还为样本预测一个累积损伤模型，构建了SN曲线。

样本从加载至破坏的荷载循环次数远低于1万次。

但是就疲劳而言，几乎还没有对木材和木材层压板进行调查。

蔡和安塞尔（1990年）已经进行了270毫米弯曲（10.63英寸）长层压硬木和固体西加云杉横梁试验。

为R=0.1应力比的样本建立的S-N曲线表示，在75%平均抗弯强度条件下它们的疲劳寿命可以超过次循环。

木材手册（1999）给出了一个疲劳寿命为两百万次的清晰的晶固体锯弯曲样品装载到其预计的60％在四点静电容量为R=0.1弯曲。

有小节点和1:

12装载类似的样本，当加载至其容量的60%并R=0.1时，它就拥有两百万次循环疲劳寿命。

所有样本的初始水分含量为12％-15％。

然而，木材手册没有列出所测试的样品的种类。

Kommers（1943）对西加云杉、花旗松、五层黄色的桦树和五层黄杨树进行了测试。

疲劳强度被发现是在五十百万次循环下静态强度的27%。

当测试两三层桦木胶合板时，迪茨和Grinsfelder（1943）发现疲劳强度强度是在两百万次循环下静态强度的25%。

Imayma和松本（1970）对杉木材进行的三点弯曲试验发现，疲劳强度是在一百万次循环下静态强度的23%。

伊吹等人（1962）测试了带有粘结用尿素或酚树脂的日本柏树。

疲劳强度是在十百万次循环下静态强度的15%-25%。

汉森（1991）对2000毫米（78.74英寸）长北欧云杉胶合木梁进行了四点弯曲疲劳试验。

该试验是在10Hz的频率下进行位移控制。

最小施加位移为3mm（0.12英寸）和峰值位移随峰值载荷变化。

晶粒的角度为0-12°。

倾斜的晶粒被证明显著降低梁的疲劳寿命。

戴维斯和里奇（2003）在1-2赫兹高达200万次循环和应力比等于0.33条件下测试了大量的纤维增强塑料（FRP）-胶合层木梁样品。

结果表明，具有全长或适当局限部分长度的梁有足够作为桥梁主梁的疲劳抗力。

3试件

当前测试样品的几何和材料特性疲劳研究，将在下面小节中描述。

这些性能的选择标准也将会描述。

4跨度长

商业SCLT型梁的跨度长短不一。

他们的跨度可以达到20英尺至60英尺[Trusjoist，2005]。

不过，这项研究的目的是挑选最具代表性的现有的木质桥梁的跨度。

对由美国联邦公路管理局（FHWA）公布的全国桥梁库存（NBI）数据库进行研究，从而获得该信息。

NBI是一套包含所有在役的美国公路桥梁以及他们目前和预计的未来的流量详细信息的数据。

根据NBI数据，在农村地区木桥的的平均跨度为26.46英尺，标准偏差是14.18英尺。

在这项研究中26+14英尺间距的跨度被认为是具有代表性的。

如此选择的最大跨度将确保梁经受可能遭受的最大车辆负载。

然而，在测试中设施的可用空间是有限的，不能容纳40英尺梁。

当时决定用一个20英尺梁作试验，并使其受力状态与一个40英尺梁相似。

5梁截面

典型的SCL桥通过铺设并排地一批预建T型梁而建成，每一个边缘有两个箱梁。

所述箱梁一般用来提供扶手和人行道而T型梁适应主要交通。

详细的横截面见图1。

由于T形梁是主要的承载元件，所以它们被选择来进行当前的疲劳研究。

图2表示出由制造商制造的横截面尺寸为20英尺和40英尺的T形梁。

图1-SCL桥整体横截面

6SCL类型和防腐剂

两种主要类型的SCL材料可从生产者那里得到。

它们分别是叠层胶合板材（LVL）和并行成材（PSL）。

在商业上，它们分别被称为Microllam和Parallam。

LVL是利用车床加工技术从原木中提取的胶合板木材制成。

在一系列干燥器和分级超声波的干燥后，薄板涂以防水树脂。

然后将它们层叠单向。

运用微波加热使干涸环氧树脂干燥后施加压力以产生最终成品。

除薄板从3/4被切割到1英寸条外，PSL产品均和LVL类似。

在施加树脂之后，一堆这些条带被随机堆叠在彼此的顶部。

然而在纤维方向保持平行。

通过高强度加热和压力使胶水硬化，并压缩桩形成均匀的钢坯PSL材料。

由于条带的随机性，PSL达到强度比更均匀堆叠的LVL高得多。

对于目前的疲劳研究，LVL和PSL梁均可以选择。

对于所有的梁都可以的组成木是道格拉斯冷杉。

主梁用两种类型的防腐剂防腐，一种是五氯苯酚和另一种是环烷酸铜。

这两种防腐剂均符合当前的环境法规和适于室外使用。

图2-20英尺和40英尺T型钢梁横截面

7含水量

当预制SCLT型钢梁在工厂制备好后通常具有10-12％的含水量。

由于使每根梁疲劳需要很长的时间，许多样本在研究过程中被存放在一个开放的场地并用塑料片覆盖它们的顶部。

在测试过程中，对梁的含水量进行测定，它们在10-16％之间变化。

Ritter等人（1996）确定一根处于工作的梁的含水量可能上升到26％。

此外，汉森（1991）得出结论：

较高的含水量显著降低木材和木材层压板的疲劳强度。

8步骤

虽然木材结构是基于许用应力进行设计，但是目前研究的负荷计算遵循美国公路桥梁设计规范程序。

这确保梁可以加载到最大可能程度。

对美国公路桥梁设计规范程序的HL-93荷载进行了修改，通过用HS-25卡车代替HS-20卡车，这可以使荷载提高25%。

对于一个简支短跨桥梁，HS-25卡车通常会产生更大的压力。

如前所述，具有代表性的40英尺跨度的梁上的弯曲应力用修改后的HL-93荷载进行计算。

然后在20英尺跨度简支梁上进行同样的应力水平模拟。

该加载过程的特性在下面讨论。

9测试荷载设置

采用四点弯曲设备。

这确保在梁的跨中有一个时刻连续的截面。

尽管以前许多研究人员采用了恒定的偏转负载设备，但是本次研究没有将它考虑在内。

在恒定的变形测试设备实验下，随着时间的推移样本变成更兼容和荷载逐渐降低[仔和安塞尔，1990]。

对于40英尺梁，疲劳是在负载控制设备中完成，每个正弦载荷循环是从相应的最小应力开始，后增大到破坏荷载。

对于典型梁，每次循环中的最大应力发生于即将破坏时刻，这是由AASHTO荷载造成。

每次循环中最小应力与最大应力的比例，也称为应力比，计算得出为0.084。

这相对较低，这与如下事实相关：

由于破坏活载，破坏荷载力矩比合力矩更小。

对于所有的梁在整个测试过程中的每一次疲劳循环，这些压力水平不变。

因此，构建一个在不同应力水平下描述了一种材料的疲劳寿命的典型的S-N曲线是不可能的。

10荷载循环次数

对于四点弯曲设备，木材手册规定的木材疲劳寿命约为200万次循环。

混凝土和钢结构桥梁施工准则还规定，通车桥疲劳寿命为两百万次车辆荷载循环。

虽然桥的装载循环次数比此值大很多，但是实验假定所有循环中的应力和卡车装载不一样。

因此，许多研究人员在实验中采取疲劳荷载为200万次循环[Senthilnath等人，2001年，Fieder等人，2003年，戴维斯在周期和里奇2003]。

对于木桥在没有任何明确的指导方针下，尤其是对于SCL桥梁，目前的研究采取了不同的方法。

再次与NBI数据库协商，以获取木桥梁的年度日常货车通行（ADTT）和预计的未来ADTT数据。

所述ADTT数据的平均值被认为是44.15和预计每年增长平均值是0.41％。

估计60年里产生的总卡车交通量是1，093，667。

此值几乎是以前的研究人员所取两百万次荷载循坏的一半。

然而，有人预计农村木桥的车辆流量通常会更小。

基于这种分析，当前疲劳研究采用一百万的负载循环次数。

11加载频率

疲劳荷载频率被定义为每秒的荷载应用循坏次数。

以前的研究已经表示，对于疲劳载荷，1-5赫兹是一个合适的频率范围。

在更高的频率下由于热量产生，水分可能会蒸发[Kommers等人，1943＆Imayma等，1970]。

在极低的频率下，负载的应用会使木材产生蠕变和显著降低其疲劳寿命[巴赫，1979]。

虽然这项研究的最初计划加载频率为1-2赫兹，但是由于运行致动器的液压设备的约束，不得不对频率进行修改。

疲劳载荷频率最后设定为0.9Hz，这足够高不会产生任何蠕变。

据估计，在0.9赫兹运行的致动器将在12天加上21小时里产生一百万次疲劳荷载循环。

12后张

如图1所示，SCL桥中T形梁通常在横向方向进行后张以形成应力层叠甲板。

甚至在非常低的荷载循环次数下的环氧树脂和SCL（图3）的接口，一个非张拉LVL梁的初始疲劳荷载会产生严重脱层叠。

分层以腹板开始和向法兰传播。

然后决定对疲劳优先用后张拉。

对20英尺长2车道宽SCL桥进行相应的力计算，并将其应用到使用适当锚板Dywidag棒的样本。

图3-预制LVL和PSLT型梁断面图

13结果

这项研究的方法是对八个新采购SCLT型主梁分别进行一百万次疲劳循环。

此外，对四个新梁静态加载到最终强度。

这些梁的SCL和防腐剂类型是不同的。

对于疲劳载荷，由于经费有限，每一个满量梁的样本尺寸只有两种。

同样由于经费有限，每一种中只有一根梁进行静态加载实验。

表1介绍SCL梁的完整测试矩阵。

它的目的是，大约每经过十万次循环后疲劳测试将暂停，梁将静态加载到最大活荷载应力。

由于疲劳荷载作用，计划监控模型弹性的逐步变化。

万一在一百万次荷载循环内有梁出现任何破裂或破坏，破坏负载和疲劳寿命以及破坏特性均会被记录下来。

在疲劳载荷幸存下来的全部梁然后静态加载至破坏。

这就可以对疲劳梁的残留最终强度和与没有疲劳的新梁的最终强度进行比较。

表1-SCLT型梁样本测试矩阵

对不同类型的SCLT型主梁进行循环加载揭示，由于疲劳影响，梁不会出现结构损坏。

所有梁均在一百万次卡车荷载循环后幸存下来，而且没有出现任何事故。

疲劳过后，PSL梁并没有表现出任何破裂或物理损坏。

然而，LVL梁在SCL和环氧树脂界面（图3）出现了一些裂缝。

这不是LVL材料本身的失败。

相反，由LVL材料的细小碎片组成的T型梁，就它的腹板和法兰的很差的组合而言，这是一个失败。

因为PSL梁横截面是由三根结实的条块建成，所以它没有这种损害。

和之前设想一样，LVL梁的很多裂缝发生在腹板底部。

从附着在底部的张力和压缩区的应变仪收集的数据揭示，在静态加载至梁破坏时，梁中SCL材料具有线性本构关系。

这标志着所有梁的脆性破坏与SCL类型无关。

和预计一样，任何种类的木品和木制衍生物的破坏模式各不相同。

由于SCL-环氧接口和构成薄板材料分层分离，所以就发生了破坏。

每十万次疲劳载荷循环后，静态实验并没有显示梁的弹性模量出现任何细微的变化。

由于疲劳载荷，梁的残余强度没有发生显著改变（图4）。

特别是对PSL梁，其残余强度是不疲劳梁极限强度的-2.67％到15.54％。

这证明一百万次荷载循环没造成任何显著疲劳损伤。

经过比较，疲劳LVL梁的残余强度与不疲劳LVL梁的最终静态强度之间的差距很大（-11.56％至40.75％）。

这种差异也许是由在组装过程差做工引起的。

大多数梁还在工厂的时候，在其SCL环氧表面就出现裂缝（图3）。

虽然它们表面铺上了塑料布，但是由于温度变化，所有梁都会发生这种类型的开裂，特别是在腹板处。

PSL梁是由同一环氧树脂制成并且用相同的方式存储。

然而由于如上所述的制造过程，在环境条件的变化下其腹板无裂纹发生。

图4-比较梁的疲劳极限强度和静态加载极限强度

由PSL材料组成的复合木板比LVL材料包装更加随意。

因此，PSL梁被期待表现比LVL梁更大的静态和残余强度。

但是，在目前的研究中没有观察到显着的差别。

在一些情况下，LVL样本有更差的静态和残余强度。

但是这是由该上述提前疲劳开裂现象引起的。

虽然LVL和PSL的复合材料以及它们的批量生产过程是不一样的，但是在这次研究中它们晶粒排列方向是相同的，这可以解释它们极限强度为什么接近。

此外，基于当前研究的数据，五和环烷酸铜两种类型的防腐剂对梁的疲劳性能和相应的极限应力并没有表现出任何明显影响。

14结论

基于SCLT型主梁的疲劳研究，可以得出以下结论。

在它们六十年的有效工作时间里，梁能够承受低交通量以及农村和森林道路特点。

在疲劳荷载一百万次循环下，在一定程度上梁没有破坏，但是其极限强度显著降低。

在静载荷作用下梁表现出脆性破坏。

应力-应变从开始到断裂几乎保持直线关系。

由于它们的制造流程，LVL梁更容易受到环境影响而开裂。

的疲劳性能不受已用防腐剂种类的影响。

SCL桥梁未来疲劳研究中，可能会包括更多数量和种类的实验样本来确定日益增加的可变性。

可能使用不同于20英尺的跨度。

循环加载可以应用到不同的应力水平。

超过一百万的荷载循环次数可能会显著降低断裂强度。

最后，将结构疲劳和环境疲劳一起介绍也许可以模拟一根工作梁的精确行为。

参考文献

[1]Winistorfer,S.G.,Steudel.H.J.;"ISO9000:

IssuesfortheStructuralCompositeLumberIndustry."ForestProductsJournal,Vol.47,No.1,1997,pp43-47.

[2]Trusjoist;"TheNaturalChoiceforTransportationProducts",TransportationProductsPromotionalBrochure,2005.

[3]Ritter,M.,Lee,P.H.,Kainz,J.,andMeyer,C.B.;"Evaluationofstress-laminatedT-beambridgesconstructedoflaminatedveneerlumber",ProceedingsofNationalConferenceonWoodTransportationStructures,Madison,Wisconsin,1996,pp92-103.

[4]Smith,I.,Landis,E.,Gong,M.,"FractureandFatigueinWood",JohnWiley&SonsLtd.,2003,pp123.

[5]Norlin,L.P.,Lam,F.,"FatiguebehaviourandsizeeffectperpendiculartothegrainoflaminatedDouglasfirveneer",MaterialsandStructures,Vol.32,May1999,pp298-303.

[6]Tsai,K.T.,Ansell,M.P.,"Thefatiguepropertiesofwoodinflexure",JournalofMaterialsScience,Vol.25,1990,pp865-878.

[7]ForestProductsLaboratory（FPL）,"WoodHandbook."ReportNoFPL-GTR-113,Madison,Wisconsin,1999.

[8]Kommers,W.J.;USForestProductLaboratory,ReportNo.1327,Madison,Wisconsin,1943.

[9]Dietz,A.G.H.,Grinsfelder,H.;Trans.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,187,1943.

[10]Imayama,N.,Matsumoto,T.;JournalofJapaneseWoodResearchSociety,Vol.16No.7,1970,pp31.

[11]Ibuki,Y.,Sasaki,H.,Kawamoto,M.,Maku,T.;JournalofJapanSocietyforTestingMaterials,Vol.11,1962,pp103.

[12]Hansen,L.P.;"Experimentalinvestigationoffatiguepropertiesoflaminatedwoodbeams",Proceedingsofthe1991InternationalTimberEngineeringConference,Vol.4,Sept.2-5,1991,London,UK.pp.4.203-4.210

[13]Davids,W.G.,Richie,M.,Gamache,C.;“FlexuralFatigueofGlulamBeamswithFiber-ReinforcedPolymerTensionReinforcing”,draftpaper,UniversityofMaine,Orono,2003.Maine

[14]Senthilnath,P.,Belarbi,A.,andMyers,J.;"PerformanceofCFRPStrengthenedReinforcedConcrete（RC）BeamsinthePresenceofDelaminationsandLapSplicesunderFatigueLoading",InProceedingoftheInternationalConferenceinConstruction,Porto,Portugal,2001,pp.323-328.

[15]Frieder,S.,Vistap,M,andGilbert,H.;"CarbonShellAdvancedCompositeBridgeTest.",UCSD–DepartmentofStructuralEngineering,2003.

[16]Bach,L.;"Frequency-DependentFractureunderPulsatingLoading",Build.Mat.Lab.,TechnicalUniversityofDenmark,Report,68,1979.