基于多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳輸理論的竹材結(jié)構(gòu)建筑熱濕應(yīng)力研究.pdf

1、隨著世界人口增加和建筑業(yè)的發(fā)展，建筑業(yè)能源與材料的需求也日益增大，建筑業(yè)對(duì)自然環(huán)境的直接或間接破壞已成為人類對(duì)自然環(huán)境的損害的重要因素。竹材作為一種新型建筑材料，在一些建筑結(jié)構(gòu)中逐漸成為混凝土、磚、鋼材等傳統(tǒng)建筑材料的替代材料。根據(jù)多孔介質(zhì)的定義及其結(jié)構(gòu)具有的固體骨架和孔隙空隙特點(diǎn)，建筑中使用的竹材屬于典型的多孔介質(zhì)材料。當(dāng)環(huán)境溫、濕度變化時(shí)，竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)熱濕傳遞使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱脹冷縮變形和濕脹干縮變形，當(dāng)這種變形受到約束在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生熱濕應(yīng)力

2、。影響竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力的溫度與濕度雖然在竹材內(nèi)傳遞的作用機(jī)理不同，但對(duì)竹材結(jié)構(gòu)的伸縮變化具有相同的結(jié)果。因此，對(duì)竹材結(jié)構(gòu)的熱濕應(yīng)力問題展開研究，開發(fā)和應(yīng)用新型竹材，減少以及防止熱濕應(yīng)力對(duì)建筑的破壞是當(dāng)今建筑節(jié)能中的一項(xiàng)重要工作。然而，在建筑結(jié)構(gòu)熱、濕應(yīng)力的研究中，通常分析熱應(yīng)力的影響，對(duì)熱濕耦合作用下的熱濕應(yīng)力的研究較少，沒有考慮溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)對(duì)熱應(yīng)力與濕應(yīng)力的相互影響。由于缺乏多孔介質(zhì)材料的濕脹干縮性能參數(shù)，特別是材料的濕膨脹系數(shù)，工

3、程設(shè)計(jì)中還缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和可靠的參考數(shù)據(jù)。因此，本文從竹材的多孔介質(zhì)特性、竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱濕耦合傳輸入手，以竹集成板、竹篾膠合板、竹筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)等為主要研究對(duì)象，揭示熱濕環(huán)境下溫度、濕度、材料熱濕膨脹特性對(duì)竹材的熱工特性和熱濕應(yīng)力變化規(guī)律，為竹材等多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)。本文的研究工作和成果主要包括:
　　(1)詳細(xì)介紹了竹材的多孔介質(zhì)特點(diǎn)、竹材結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱、濕變化原因和熱、濕傳遞機(jī)理，重點(diǎn)闡述了竹材在熱濕耦合

4、作用下的熱濕變形機(jī)理與熱濕應(yīng)力特性，提出了多孔介質(zhì)濕應(yīng)力基本概念，介紹了多孔介質(zhì)濕應(yīng)力的數(shù)學(xué)微分方程及其物理意義，為后續(xù)章節(jié)的熱濕應(yīng)力分析闡明了理論基礎(chǔ)。
　　(2)通過對(duì)多孔介質(zhì)宏觀結(jié)構(gòu)的假設(shè)，以單位長(zhǎng)度微元體為對(duì)象，分析了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞中的熱濕彈性行為，闡明了竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)變與應(yīng)力的分析方法，建立了熱濕應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步以竹材結(jié)構(gòu)墻體為研究對(duì)象，分析了墻體熱濕應(yīng)變與熱濕應(yīng)力的變化特性。闡明了竹材結(jié)構(gòu)墻體熱濕應(yīng)力變化的

5、影響因素，指出溫度與含濕量變化是影響熱濕應(yīng)力變化的最重要因素。
　　(3)闡述了影響竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力的孔隙率、有效導(dǎo)熱系數(shù)、熱濕膨脹系數(shù)等基本物理力學(xué)性能參數(shù)。采用吸滲法測(cè)試了建筑竹材的有效孔隙率，指出常溫下竹材試件的有效孔隙率為32.1％～33.7％。提出了竹材濕膨脹系數(shù)的概念，采用電阻應(yīng)變法測(cè)試了建筑竹材的熱膨脹系數(shù)和濕膨脹系數(shù)，指出竹材試件的熱膨脹系數(shù)為縱向9.67×10-6℃-1、橫向22.30×10-6℃-1，濕膨脹系數(shù)

6、為橫向55.28×10-6m/(m·％)、縱向11.64×10-6m/(m·％)，橫向熱膨脹系數(shù)為縱向的2.31倍，橫向濕膨脹系數(shù)為縱向的4.75倍。分析了竹材含濕量變化對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)、有效比熱容、溫度波延時(shí)系數(shù)等竹材結(jié)構(gòu)墻體熱工性能參數(shù)的影響，進(jìn)一步分析了含濕總量變化與墻體總熱阻的關(guān)系，為竹材結(jié)構(gòu)熱濕應(yīng)力分析提供了基本的物理力學(xué)性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用電阻應(yīng)變法測(cè)試竹材濕膨脹系數(shù)，為多孔介質(zhì)材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法提供了參考。
　　

7、(4)分析了一維穩(wěn)態(tài)熱濕傳遞工況下竹材結(jié)構(gòu)墻體的熱濕應(yīng)變變化特性，闡明了伸縮熱濕應(yīng)力與彎曲熱濕應(yīng)力的計(jì)算方法。建立了墻體穩(wěn)態(tài)熱濕應(yīng)變與應(yīng)力的微分方程，指出墻體產(chǎn)生的熱濕應(yīng)力為其自由膨脹計(jì)算值與測(cè)試值之差。以竹篾膠合板材墻體為研究對(duì)象分別對(duì)墻體的熱應(yīng)變特性、濕應(yīng)變特性、熱濕應(yīng)變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了墻體溫度變化和含濕量變化時(shí)熱濕應(yīng)力的變化規(guī)律，指出墻體內(nèi)熱應(yīng)變與濕應(yīng)變具有疊加的作用效果，為新型竹材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)熱濕應(yīng)力設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。<

8、br>　　(5)分析了一維瞬態(tài)熱濕傳遞工況下竹材結(jié)構(gòu)墻體的伸縮熱濕應(yīng)力與彎曲熱濕應(yīng)力變化特性，建立了熱濕應(yīng)力與墻體厚度方向溫濕度梯度關(guān)系的微分方程和熱濕應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系的微分方程，闡述了影響竹材結(jié)構(gòu)墻體瞬態(tài)熱濕應(yīng)力的影響因素，指出墻體內(nèi)溫度、濕度、溫度梯度、濕度梯度是影響其熱濕應(yīng)力變化的主要原因。以竹集成板材為研究對(duì)象，分別在加熱升溫、高溫墻體快速加濕、高含濕量墻體快速加熱等典型瞬態(tài)熱濕工況下對(duì)墻體的熱濕應(yīng)變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以竹篾膠合

9、板材為研究對(duì)象，在自然熱濕環(huán)境下對(duì)墻體的熱濕應(yīng)變進(jìn)行了連續(xù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與研究，分析了瞬態(tài)工況下墻體的熱濕應(yīng)力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明瞬態(tài)熱濕工況下墻體的熱濕應(yīng)力變化是一個(gè)復(fù)雜和多變的變化過程，對(duì)新型竹材結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)熱濕應(yīng)力利用或防止應(yīng)力發(fā)生具有指導(dǎo)意義。
　　(6)分析了竹筋與混凝土界面的熱濕應(yīng)力變化特性，闡明了竹筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中兩種材料界面接觸力、界面正向應(yīng)力、界面切應(yīng)力、軸向正應(yīng)力等應(yīng)力的計(jì)算方法。對(duì)常溫下水泥砂漿的濕膨脹特性進(jìn)行了