摘要
木材是绿色环保的传统建筑材料之一，具有轻质、强重比高、延性好、抗震性能优越，以及易于加工和美观等优点。然而作为一种天然材料，木材具有很多天然缺陷（木节、干缩、裂缝和蠕变等），由于温度和湿度的改变易发生变质。同时木材具有复杂的各向异性力学性能，顺纹方向上有着较高的力学性能，但在横纹方向上其强度和刚度都非常低。近年来，国内外学者采用一些方法以改善纯木柱的性能，比如将不同截面形状的纯木柱置于薄壁钢筒中形成钢-木组合柱，采用FRP布包裹木柱或钢套箍加固木柱等方法。但上述加固方式对木柱的力学性能提升有限，仍存在组合效率不高等缺点。因此本文探索性提出一种预应力薄壁钢约束圆木短柱，采用薄壁钢筒对核芯木柱施加横向初始预应力，使核芯木柱接触外荷载时便处于三轴受压的力学状态，有效限制了木材的横向变形和避免了钢材应力的严重滞后。为全面研究预应力薄壁钢约束圆木短柱在轴心受压时的表现，本文主要开展如下研究工作： （1）木材及钢材基本材料力学性能试验 通过木材的材料性能试验，获取了木材的含水率、密度ρ和三个主方向(纵向、径向和弦向)的泊松比μij、弹性模量Ei、屈服抗压强度fc,y和极限抗压强度fc，结合已有规范，计算出木材三个剪切面上的剪切模量Gij。通过钢材的材料性能试验，测试获取了不带焊缝抗拉试样的屈服抗拉强度ft,y和极限抗拉强度ft以及带焊缝抗拉试样的屈服抗拉强度ft,y和极限抗拉强度ft。 （2）预应力薄壁钢约束圆木短柱轴心受压性能试验 进行了1根纯木柱、1个薄壁圆钢筒、3根未施加预应力薄壁钢约束圆木短柱和4根预应力薄壁钢约束圆木短柱的轴心受压试验，获取了各个试件的破坏过程、失效模式、极限荷载Pmax和延性指标DI，同时绘制荷载-位移曲线和荷载-应变曲线。分析获取了预应力薄壁钢约束圆木短柱相较于原有试件力学性能的提升效果，试验结果表明在核芯木柱同尺寸的条件下，预应力薄壁钢约束圆木短柱的极限承载力大于纯木柱和薄壁钢筒极限承载力的总和；无预留长度预应力薄壁钢约束圆木短柱和有预留长度未施加预应力薄壁钢约束圆木短，即使在尺寸和设计条件略差的情况下，由于核芯木柱所受主动围压的约束，使得预应力组合柱表现出更优良的极限承载力。此外，本论文还探索了预留长度和不同初始横向预应力度k对预应力薄壁钢约束圆木短柱轴心受压性能的影响。试验表明对于未施加预应力薄壁钢约束圆木短柱，在预留长度不同的情况下，单侧预留15mm的试件具有最高极限承载力。在预留长度相同的情况下，当横向初始预应力度k=0~0.20时，预应力薄壁钢约束圆木短柱力学性能提升明显。 （3）预应力薄壁钢约束圆木短柱轴心受压有限元模拟分析 为提出预应力薄壁钢约束圆木短柱计算分析方法，并进一步充分研究该组合柱的轴心受压性能，运用ABAQUS有限元分析软件，建立了预应力薄壁钢约束圆木短柱的数值分析模型，对试件的轴心受压性能进行分析。数值模拟结果表明，有限元计算结果与试件轴心受压试验结果吻合良好。同时根据该模型，进一步探究较大初始横向预应力度k对组合柱力学性能的影响，当k=0.20~0.30时，组合柱力学性能继续提升，但提升幅度有限；当k=0.30~0.40时，力学性能逐渐下降。 （4）预应力薄壁钢约束圆木短柱轴心受压理论研究 基于既有的相关研究，根据不同规范和文献计算得出纯木柱的峰值应力fco，参考钢管混凝土峰值应力计算方法，分析核芯木柱所受的有效约束应力fl，然后结合试验和有限元所得峰值应力fcc，给出了预应力薄壁钢约束圆木短柱的峰值应力计算公式，进而提出了符合试件轴心受压应力-应变曲线发展趋势的三折线本构模型。
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