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同济大学学报（自然科学版） 2020年第8期48卷 1113-1121页

作者：何敏娟张婷钰倪春李征陶铎同济大学土木工程学院上海200092 加拿大林产品创新研究院温哥华V6T1Z4

木材在长期荷载作用下强度会逐渐降低,在工程设计中需考虑该效应的影响来确定木材强度设计值。为探究荷载持续作用对木材强度的影响,基于现行木结构设计标准规定的木结构极限状态设计及荷载的概率统计模型,采用JC法和Foschi-Yao累积损... 详细信息

木材在长期荷载作用下强度会逐渐降低,在工程设计中需考虑该效应的影响来确定木材强度设计值。为探究荷载持续作用对木材强度的影响,基于现行木结构设计标准规定的木结构极限状态设计及荷载的概率统计模型,采用JC法和Foschi-Yao累积损伤模型,针对我国恒荷载、楼面活荷载以及南京、哈尔滨、北京、上海和金华的雪荷载条件,对不同荷载工况、活荷载与恒荷载比率ρ及木材强度变异系数等对木结构荷载持续作用效应的影响进行研究,给出了不同工况下的荷载持续时间影响系数。结果显示,当荷载比率较小时,荷载持续时间影响系数KDOL随ρ的增大而增大;荷载比率较大时,KDOL不随ρ值变化;且材料强度变异系数对KDOL的影响随着荷载比率的增大而减小。

关键词：荷载持续作用效应可靠度分析累积损伤模型概率统计模型

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速生杉木CLT低周疲劳荷载持续作用效应研究

速生杉木CLT低周疲劳荷载持续作用效应研究

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作者：何磊南京林业大学

学位级别：硕士

目前,正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）力学性能研究主要集中在短期力学行为。作为承重构件,CLT在长期荷载或者疲劳荷载作用下的力学性能也是CLT构件的关键性能。发展国内速生杉木作为CLT层板材料,有助于国内CLT材料发展和应... 详细信息

目前,正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）力学性能研究主要集中在短期力学行为。作为承重构件,CLT在长期荷载或者疲劳荷载作用下的力学性能也是CLT构件的关键性能。发展国内速生杉木作为CLT层板材料,有助于国内CLT材料发展和应用。论文研究有助于完善CLT力学性能,促进速生杉木在CLT材料中的应用。论文首先采用应力波无损检测法测试了600根速生杉木锯材动态弹性模量,对速生杉木锯材进行分级;然后将不同等级速生杉木锯材形成两种不同层板等级组坯结构的CLT构件,评价CLT试件在静态和低周疲劳（梯形波和三角形波）加载下的抗弯、抗剪性能;最后根据低周疲劳试验数据对损伤累积模型进行标定,并基于应力比评估速生杉木CLT的荷载持续作用效应（Duration of load effect,DOL）调整系数。主要结论如下:（1）速生杉木锯材无损检测和分级。速生杉木锯材密度最大值、最小值和平均值分别为0.57g·cm-3、0.27 g·cm-3和0.40 g·cm-3,动态弹性模量分别为13.58GPa、6.00GPa和9.36GPa。足尺速生杉木锯材密度和弹性模量的关系不明显,分级之后每个分级区间动态弹性模量和密度的平均值具有良好的相关关系,相关系数R2为0.9116。密度符合对数正态分布但不符合正态分布和二参数威布尔分布,动态弹性模量符合正态分布但不符合对数正态分布和二参数威布尔分布,用对数正态分布和正态分布分别拟合密度和动态弹性模量的拟合优度最佳,K-S检验值最小。每个分级区间动态弹性模量的变异系数明显低于整体的变异系数,分级区间越大,变异系数越小。（2）速生杉木CLT静态抗弯和抗剪性能。由高等级纵向层板和低等级横向层板制作的速生杉木CLT（HLH）抗弯弹性模量、抗弯强度和抗剪强度均高于由三层低等级层板制作的速生杉木CLT（LLL）试件。低等级和高等级层板的动态弹性模量（8155MPa和10798MPa）分别达到了ANSI/APA PRG 320-2018中E3等级CLT次强度方向和E2等级CLT主强度方向层板的弹性模量要求（6500MPa和10300MPa）。LLL和HLH两种层板等级组坯类型的试件抗弯弹性模量、抗弯强度和抗剪强度平均值在0.01水平存在显著差异。LLL和HLH层板等级组坯类型试件表观弯曲刚度、有效抗弯强度和有效剪切强度与试验值的相对误差均在10%以内。低等级纵向层板试件主要发生横向层滚动剪切破坏和底部拉伸破坏,高等级纵向层板试件主要发生横向层滚动剪切破坏。（3）速生杉木CLT低周疲劳性能。低周抗弯和抗剪疲劳试件平均失效循环周期数由小到大均依次为梯形波加载下的低等级层板试件<梯形波加载下的高等级层板试件<三角形波加载下的低等级层板试件。不同加载波形试件的失效循环周期数差异比不同层板等级试件显著。相同累积概率水平和应力比下,三角形波试件和高等级纵向层板试件的失效循环周期数分别高于梯形波试件和低等级纵向层板试件。低周疲劳试件与静态试件破坏模式基本一致。单从破坏模式上无法确切区分不同循环加载波形下抗弯和抗剪疲劳试件组内的区别;高等级纵向层板CLT主要发生横向层滚动剪切破坏,而低等级纵向层板CLT主要发生滚动剪切破坏和底部拉伸破坏。低等级和高等级纵向层板低周疲劳试件发生底部拉伸破坏的占比差异与静态试件相近。（4）速生杉木CLT荷载持续作用效应。标定后的损伤累积模型预测结果与试验结果都比较吻合。PG-H-T组试件拟合效果最好,其他组试件试验值和预测值存在着一定程度可接受的误差。抗弯试件的失效循环周期数要普遍高于抗剪试件的失效循环周期数。三角形波试件、高等级层板试件和抗弯试件标准期和长期恒荷载持续作用下的DOL调整系数分别高于梯形波试件、低等级层板试件和抗剪试件,表现出较好的长期强度。50年长期恒荷载持续作用下速生杉木CLT的DOL调整系数,在不考虑使用条件的情况下,除了PG-L-T组（0.41）,其他组均接近于或高于CLT手册中参考加拿大木材工程设计标准CSA O86-14建议的荷载持续作用调整系数（0.65）。PW-L-T组（0.64）、PW-H-T组（0.68）和PG-H-T组（0.66）速生杉木CLT在50年长期恒荷载持续作用下的DOL调整系数与常用实木的DOL调整系数相当。

关键词：正交胶合木速生杉木低周疲劳荷载持续作用效应

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SPF/COSB混合结构CLT荷载持续作用效应及蠕变性能研究

SPF/COSB混合结构CLT荷载持续作用效应及蠕变性能研究

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作者：宋焕南京林业大学

学位级别：硕士

随着荷载持续时间增加,木结构构件会发生变形逐渐增大,强度逐渐降低的荷载持续作用(Duration of load,DOL)效应。正交胶合木(Cross-laminated timber,CLT)的正交组坯及横向层滚动剪切特性,使得其DOL效应更加复杂。基于国内结构板材发展... 详细信息

随着荷载持续时间增加,木结构构件会发生变形逐渐增大,强度逐渐降低的荷载持续作用(Duration of load,DOL)效应。正交胶合木(Cross-laminated timber,CLT)的正交组坯及横向层滚动剪切特性,使得其DOL效应更加复杂。基于国内结构板材发展的混合结构CLT(Hybrid cross-laminated timber,HCLT)是国内CLT材料发展的一个重要方向,开展HCLT长期力学性能研究,有助于推进CLT在我国木结构建筑中的应用和完善相关设计标准。论文研究对象为由SPF规格材和国产结构用刨花板(Construction oriented strand board,COSB)混合制成的CLT/HCLT,分别进行低周疲劳循环试验及长期蠕变试验,研究CLT/HCLT的DOL效应及蠕变性能。主要研究方法为:(1)低周疲劳性能研究:对3层和5层不同组坯结构的CLT/HCLT试件分别进行低周疲劳循环加载的抗剪和抗弯试验,记录试件失效模式和失效循环次数,建立基于应力的损伤累积模型,得出应力比-失效时间对数关系曲线,并基于模型预测的应力比评估法得出CLT/HCLT的DOL调整系数,分析比较不同组坯结构强度方面的长期疲劳性能差异。试验结果表明:疲劳试件具有与前期单调试验基本相同的破坏模式;标定的损伤累积模型预测值能较好符合试验数据,平均误差为14%;抗剪试件中,横向层为COSB板的3BS、3CS组,以及5BS组呈现出更好的抗疲劳性,5层试件的疲劳性能普遍优于3层;对于抗弯试件,3AL组普通结构CLT疲劳性能最差,全COSB板制成的3CL组其次,3BL组的HCLT疲劳性能最优;在30年的长期恒荷载情况下,3层抗剪试件中,3AS组普通结构的DOL调整系数最小,为0.519,该结果在不考虑使用条件的情况下,低于CLT手册中建议的强度修正系数;3BS组和3CS组试件的DOL调整系数分别为0.745和0.775,表现出较好的长期强度;5层抗剪试件中,5AS组的DOL调整系数(0.75)也低于混合结构试件5BS组(0.816)。对于抗弯试件,不同组坯结构抗弯试件的DOL调整系数非常接近,在0.81～0.83之间。总的来说,采用COSB置于横向层混合制备CLT构件,能够有效提高CLT的长期强度性能。(2)蠕变性能研究:对3层不同组坯结构的CLT/HCLT试件进行94天抗剪和抗弯恒载试验,分析不同跨高比、不同组坯结构试件的蠕变发展规律。采用幂律模型和五参数蠕变模型拟合试验数据,预测长期蠕变系数,分析CLT/HCLT长期蠕变性能。试验结果表明:由于为纯实木锯材制成,普通结构CLT抗剪和抗弯试件,如3AS和3AL组的蠕变变形受温湿度变化影响有较大的波动;抗剪试件的相对蠕变普遍高于抗弯试件;不同组坯结构抗剪试件的蠕变变形量差异不明显;对于抗弯试件,横向层为COSB板的3BL组HCLT试件呈现出最为稳定的蠕变曲线和最低的蠕变变形值;相比幂律模型,五参数蠕变模型能更好地拟合试验数据;蠕变模型预测抗弯试件的50年蠕变系数均小于2,其中3BL组HCLT蠕变系数最小(1.299);抗剪试件的50年蠕变系数均大于2,最小值为3CS组(2.013)。

关键词：正交胶合木混合结构疲劳性能荷载持续作用效应蠕变

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木结构荷载持续作用效应及可靠度分析

木结构荷载持续作用效应及可靠度分析

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作者：金弋博哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

木材的荷载持续作用效应(Duration of load effect,简称DOL效应)是指木材在荷载持续作用下,随着时间的增加,变形逐渐增大,强度逐渐降低的现象。木材荷载持续作用效应是木结构设计中的重要问题。对这一问题的认识很大程度上影响了木材及... 详细信息

木材的荷载持续作用效应(Duration of load effect,简称DOL效应)是指木材在荷载持续作用下,随着时间的增加,变形逐渐增大,强度逐渐降低的现象。木材荷载持续作用效应是木结构设计中的重要问题。对这一问题的认识很大程度上影响了木材及木产品强度设计值的确定,涉及到木结构中强度、稳定等方面的问题。而如今国内外普遍采用基于可靠度的设计方法来确定木材或木产品的设计值,在可靠度分析中如何考虑木材的DOL效应的影响成为一个重要问题。本文首先研究了木材DO L效应的试验方法,从试验对象、加载模式、试验匹配方法等方面对现有的木材DOL效应试验方法进行分析,指出其优劣势,并应用损伤模型理论对Madsen教授有争议的试验结论进行分析。介绍了基于不同理论的几种木材长期强度预测模型——经验模型、Gerhards模型、Foschi模型和蠕变断裂模型,并总结归纳各国规范中木材的DOL影响系数的取值,发现各国规范中的DOL影响系数基本符合Madsion曲线。通过短期试验和长期试验,得出东北落叶松木材横纹抗拉强度,探究了木材横纹受拉的DOL效应对其强度和弹性模量的影响。发现木材横纹受拉DO L效应要弱于Madison曲线,且其DOL曲线呈上凸状;就本文的试验数据来看,木材横纹受拉的DOL效应不影响其弹性模量。利用试验数据,对几种DO L模型进行参数校准,建立了基于试验数据的木材横纹受拉DOL模型,并通过DO L模型预测木材的长期强度,给出适合中国规范的木材横纹受压DOL影响系数。探究了中国、加拿大、欧洲木结构设计规范中可靠度分析方法的特点和差异,尤其是木材DOL效应在可靠度分析中的处理方法。使用中国规范功能函数对不同荷载组合下的受弯木构件进行可靠度分析;采用加拿大规范的可靠度分析方法,建立可变荷载时间历程模型,用Matlab编制损伤累计和可靠度分析程序,进行考虑荷载时间历程的可靠度分析;通过对比,探究了木材强度变异性和荷载比率对中国和加拿大方法可靠度分析结果的影响。

关键词：荷载持续作用效应 DOL模型可靠度分析荷载时间历程试验方法

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CLT构造特征对其剪切性能及荷载持续作用效应的影响研究

CLT构造特征对其剪切性能及荷载持续作用效应的影响研究

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作者：何叶南京林业大学

学位级别：硕士

正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）横向层有不同的构造特征,且在短跨剪切作用下,横向层容易发生滚动剪切破坏,因此论文主要针对CLT横向层的构造特征及其对剪切性能的影响,以及在长期荷载作用下不同构造特征CLT的荷载持续作用效... 详细信息

正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）横向层有不同的构造特征,且在短跨剪切作用下,横向层容易发生滚动剪切破坏,因此论文主要针对CLT横向层的构造特征及其对剪切性能的影响,以及在长期荷载作用下不同构造特征CLT的荷载持续作用效应（Duration of load,DOL）进行研究,对完善CLT材料基本理论和产品设计规范具有重要的意义。为推动国产速生杉木在CLT材料中的应用,论文采用国产速生杉木制作CLT试件,并针对CLT横向层不同构造特征,如宽厚比、侧面缝隙宽度和应力释放缝深度,通过测试CLT试件的静态和低周疲劳力学性能,评价CLT构造特征对其抗剪性能DOL效应的影响。1.通过设计L9（3～3）正交试验,研究横向层层板宽厚比（3、4、5）、应力释放缝深度（0mm,4mm,6mm）和侧面缝隙宽度（0mm,4mm,8mm）三个构造特征对CLT静态面外剪切性能的影响。结果表明,应力释放缝深度和侧面缝隙均为0mm时,CLT试件的抗剪性能最优;随着应力缝深度和侧面缝隙宽度增加,抗剪强度都有所降低。第Ⅰ组CLT试件抗剪极限承载力和抗剪强度平均值最高,分别为7845.97N和1.93MPa;第Ⅶ组CLT试件抗剪极限承载力和抗剪强度平均值最低,分别比第Ⅰ组降低25.03%和24.35%。侧面缝隙宽度和应力缝深度对抗剪强度有显著影响,且各水平之间存在显著性差异;宽厚比对CLT抗剪强度的影响不显著;静态抗剪性能最佳构造特征组合:宽厚比为4,应力释放缝深度和侧面缝隙宽度均为0mm。CLT面外剪切破坏模式主要包括横向层滚动剪切破坏、胶层破坏和底层板拉伸破坏等,各种破坏模式相互影响。2.对CLT进行梯形循环加载,比较不同构造特征试件的失效循环周期;根据疲劳试验数据对损伤累积模型进行标定,预测不同构造特征CLT失效循环时间;并基于应力比评估法得到各组CLT试件DOL调整系数。结果表明,应力释放缝会降低CLT低周疲劳性能,而层板存在侧面缝隙时,CLT的疲劳失效循环周期高于没有侧面缝隙的CLT。影响CLT疲劳失效循环周期的因素主次顺序为:侧面缝隙宽度>应力缝深度>宽厚比,较优的构造特征:宽厚比为4,应力释放缝深度和侧面缝隙宽度分别为0mm和4mm。通过损伤累积模型预测CLT的长期性能,第Ⅶ组CLT的DOL调整系数最小（0.37）,第Ⅷ组CLT的DOL调整系数最大（0.70）。若不考虑使用条件,除第Ⅷ组外,其余组CLT在50年荷载持续时间下的DOL调整系数均比CLT手册中建议的取值（0.65）低。根据对不同构造特征CLT的DOL调整系数的影响进行评估,横向层层板间侧面缝隙为8mm CLT的DOL调整系数最大,另外,在横向层中有侧面缝隙和应力缝深度时,建议增大CLT的横向层层板宽厚比。3.根据木结构设计标准（GB 50005-2017）建立CLT试件在承载力极限状态下的功能函数,并采用一次二阶矩法,基于第二章的试验数据以及我国的永久荷载、楼面活荷载、风荷载及雪荷载统计参数对不同构造特征CLT进行可靠度分析,获得9组CLT试件的可靠度与抗力分项系数之间的关系曲线。结果表明,对于四种不同荷载组合,不同构造特征CLT在相同抗力分项系数下,可靠指标随着荷载比值ρ增加而降低。荷载比值ρ为1.5、2、3时,抗力分项系数相同的条件下,9组CLT的可靠指标大小顺序均相同,最高为第Ⅰ组,最低为第Ⅶ组;随着抗力分项系数增加,每组CLT之间的可靠指标差距增大。在四种荷载组合下,9组CLT的短期与长期可靠度分析均较接近。采用国内木结构可靠度分析方法,荷载统计参数中的变异系数对CLT可靠指标计算结果影响更明显。

关键词：木结构正交胶合木构造特征低周疲劳荷载持续作用效应

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受弯无机胶复合竹梁的荷载持续作用效应研究

受弯无机胶复合竹梁的荷载持续作用效应研究

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作者：赵明云山东建筑大学

学位级别：硕士

在荷载持续作用下,木(竹)材的强度会降低,称为荷载持续作用(Duration of load,DOL)效应,DOL效应直接关系到木(竹)材强度设计值的确定。传统的工程木材和竹材通常需要有机胶才能实现充分粘合,作为生物基复合材料的替代方案,本文在课题组... 详细信息

在荷载持续作用下,木(竹)材的强度会降低,称为荷载持续作用(Duration of load,DOL)效应,DOL效应直接关系到木(竹)材强度设计值的确定。传统的工程木材和竹材通常需要有机胶才能实现充分粘合,作为生物基复合材料的替代方案,本文在课题组基于镁质无机胶粘结竹束制备的新型竹基复合材料(无机胶复合竹材料)的基础上,开展无机胶复合竹的荷载持续作用效应研究,提出了无机胶复合竹DOL效应系数推荐值,研究结果为确定强度设计值提供了重要参考依据。本文首先综述了DOL国内外研究现状,分析了DOL试验方法,主要包括长期试验加载模式和试件匹配方法,探究了不同方法的优缺点。研究了DOL效应预测模型,包括经验模型、Gerhards模型、Nielsen模型和Foschi and Yao模型。基于经验模型对历史文献中木材抗弯和横纹抗拉长期DOL试验结果进行重分析,推算得到木材持荷10年的DOL系数,通过与Madison经验公式、Gerhards模型、Nielsen模型和Foschi and Yao模型推算结果的对比分析,验证不同DOL效应预测模型的适用性。其次,开展了恒温恒湿环境下受弯无机胶复合竹梁的荷载持续作用效应研究,采用分位值匹配法得到与长期试件所匹配的短期强度,得到了不同持荷时间下长期试件的应力比(强度折减程度)。采用DOL经验公式、Gerhards模型、Foschi and Yao模型和Nielsen模型对DOL试验结果进行拟合,得到无机胶复合竹梁持荷10年的DOL效应系数分别为0.77、0.82、0.78和0.59。对比分析表明,Madison曲线对无机胶复合竹的DOL效应预测较为保守,Foschi and Yao模型的拟合效果最佳。基于Foschi and Yao模型推算的无机胶复合竹梁DOL效应系数与经验公式推算的结果相近。与云杉-松木-冷杉(SPF)和挪威云杉两种木材DOL效应的对比结果表明,无机胶复合竹梁的DOL效应显著小于两种木材。这表明,在长期荷载作用下无机胶复合竹的强度折减要小于SPF和挪威云杉。最后,试验研究了环境条件对无机胶复合竹梁DOL效应的影响,环境温度分为恒温恒湿环境和室内环境。研究发现,与Madison曲线相比,无机胶复合竹梁在恒温恒湿环境中的DOL效应系数高于Madison模型预测值,而室内环境下的DOL效应系数低于Madison模型预测值。恒温恒湿环境下的DOL效应系数高于室内环境,这表明,室内环境中的温湿度变化加剧了无机胶复合竹的DOL效应。

关键词：无机胶复合竹梁荷载持续作用效应短期试验长期试验 DOL效应模型

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速生杉木CLT蠕变及荷载持续作用效应研究

速生杉木CLT蠕变及荷载持续作用效应研究

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作者：吴荣宝南京林业大学

学位级别：硕士

木结构承重构件在荷载持续作用下,随时间推移变形会增大,某些条件下还会破坏。前者是蠕变现象,后者为荷载持续作用对强度的影响——荷载持续作用效应（Duration of load,DOL）。正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）作为一种新型... 详细信息

木结构承重构件在荷载持续作用下,随时间推移变形会增大,某些条件下还会破坏。前者是蠕变现象,后者为荷载持续作用对强度的影响——荷载持续作用效应（Duration of load,DOL）。正交胶合木（Cross-laminated timber,CLT）作为一种新型的工程木材料,其蠕变和DOL效应等长期力学性能研究不足,缺少基础研究数据。论文开展速生杉木CLT长期力学性能研究,有助于促进CLT应用于我国的木结构建筑并完善相关设计标准。基于前期研究结果,论文采用速生杉木(Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.)制作无横向层侧面缝隙和有6mm横向层侧面缝隙CLT,分别进行温湿度恒定、湿度周期性变化的蠕变试验和温湿度恒定的不同应力水平抗弯性能DOL效应研究,探究速生杉木CLT蠕变及DOL性能。主要研究结论为: 1.测试3层速生杉木CLT试件静态抗弯、抗剪性能,评价横向层侧面缝隙对CLT短期抗弯、抗剪力学性能影响,为后续长期试验确定应力水平;采用剪切类比法计算速生杉木CLT抗弯、抗剪性能理论值,并将理论值与试验值进行比较。结果表明,横向层缝隙存在会不同程度降低速生杉木CLT抗弯、抗剪性能。抗弯强度无显著影响,而抗剪强度影响显著,降低22%。剪切类比法能很好预测速生杉木CLT抗弯、抗剪性能,相对误差小于7%。试验所得平均短期极限承载力为后续蠕变和DOL试验提供应力依据。 2.对速生杉木CLT试件在不同温湿度环境（恒温恒湿、湿度周期性变化）中分别进行25%短期极限承载力应力水平抗弯、抗剪蠕变试验,采用五参数模型和幂律模型进行拟合,计算蠕变系数,评价横向层缝隙对蠕变性能影响。结果表明,绝大部分有横向层缝隙试件的蠕变系数略低于无横向层缝隙试件,所有试件92天蠕变系数小于2.0,满足GB/T31291中的判定标准。相比于恒温恒湿处理环境,在湿度周期性变化环境中,抗弯试件呈现出更大的机械吸附蠕变变形,蠕变系数也增加,抗剪试件则相反。五参数模型和幂律模型对试验数据都表现出很高的拟合准确度,R2值在0.876-0.999之间。对于50年蠕变系数,幂律模型和五参数模型预测蠕变系数范围分别为1.683-2.248和1.548-5.108。总的来说,宽度不大于6mm的横向层缝隙一定程度降低了速生杉木CLT抗弯、抗剪蠕变变形。 3.对速生CLT抗弯试件分别施加70%、75%、80%、85%短期极限承载力,进行长期加载,直至试件破坏。将试验结果与麦迪逊曲线进行比较,并进行生存分析,评价速生杉木CLT的DOL效应。结果表明,无横向层缝隙抗弯试件平均荷载持续作用时间明显大于有横向层缝隙试件;随着荷载水平增加,试件荷载持续时间明显缩短。相比于经典麦迪逊曲线,所有试件都表现出较短的荷载持续时间。无横向层缝隙试件的50年DOL效应系数（0.48）高于有横向层缝隙试件（0.42）,生存分析结果也表明有横向层缝隙试件表现出较高的早期破坏率。总的来说,宽度不大于6mm的横向层缝隙会增加速生杉木CLT的DOL效应。

关键词：木结构正交胶合木横向层缝隙蠕变荷载持续作用效应

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