论文摘要
重组竹是以原竹材为原料，经工业化制造而成的一种高强复合材料，其力学性能和阻燃性均优于木材，环保指标已达欧洲E1级标准，是一种具有广阔应用前景的高强生物质结构材料。由于竹材自身结构和力学性能具有明显的定向性，重组竹实际上是一种纤维定向增强复合材料，均质各向同性材料的强度理论、力学模型不适用重组竹结构基本构件在非弹性工作状态下的强度与变形分析。因此，针对重组竹独特的物理力学性质，研究重组竹材料的破坏机理、破坏准则，建立其材料本构关系与基本构件的非弹性分析理论，是重组竹结构分析与设计亟待解决的科学问题。本文将竹材、重组竹均理想化为横观各向同性复合材料，应用复合材料力学理论，通过试验研究、理论分析，对竹材细观结构与其基本力学性能之间的关系、重组竹本构关系与破坏机理、重组竹梁的弯曲承载力与变形、重组竹梁的弯剪承载力计算进行了系统的研究，主要内容与成果如下：（1）通过对竹材显微结构的分析和宏观力学试验，研究了竹材维管束含量和竹材力学性能之间的定量关系，提出了推定竹材维管束与基体力学参数的混合方法，并给出了确定竹材横向力学参数的方法；（2）通过重组竹材料的单轴试验和纯剪试验，研究了重组竹的纵向与横向受拉、受压和受剪力学性能，分析了上述各种应力状态下的材料破坏机理，建立了相应的应力-应变关系。结果表明，重组竹破坏形态取决于纤维参与受力的程度，当纤维参与度较大时，重组竹呈渐进破坏特征，应力-应变关系表现出较强的非线性；反之，当纤维参与度较小时，破坏呈脆性，应力-应变基本为线性关系（抗拉破坏除外）；（3）采用4点弯曲试验，研究了重组竹梁的弯曲破坏形态与破坏机理。结果表明，纯弯曲受力状态下，梁的工作状态可分为三个阶段。第1阶段为弹性受弯曲阶段，即荷载较小时，梁处于弹性工作阶段；第2阶段为非线性强化阶段，即当荷载超过比例极限时，梁受压区纤维部分进入非线性工作阶段，塑性受压区向中性轴扩展，梁的刚度不断衰减；第3阶段为破坏阶段，即当塑性受压区深度发展到极限水平时，梁最外层纤维随荷载增加出现局部屈曲，梁底纤维被拉断，梁丧失承载力；（4）考虑重组竹材料拉、压性质的不同，导出了重组竹梁的极限承载力与极限变形计算方法，经试验验证，本文提出的计算方法与试验结果吻合良好；（5）研究了梁的弯剪破坏形态与破坏机理，结果表明，梁弯剪破坏不可能发生在垂直纤维方向，而是在剪跨内出现沿纤维纵向的剪切裂纹。故重组竹梁抗剪强度验算时，应取顺纤维向的剪切强度值作为计算依据。应用本文提出的重组竹本构关系与梁的非弹性分析模型得到的重组竹梁极限承载力与变形与试验结构吻合良好，表明本文建立的材料模型与分析方法是正确的。