木结构设计师们,你们知道DOL效应吗?

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现行《木结构设计规范》给出了各种木材的强度设计值,实际应用的时候,还需要要乘以一系列调整系数。其中有一条“按恒荷载验算时”,木材的强度和弹性模量要乘以0.8的系数,而规范条文说明没有对此做进一步解释。这一条让不少设计者非常困扰,设计的时候也比较麻烦,我们需要考虑恒荷载和活荷载的比例,当恒荷载的比例超过80%时,木材的强度需要按上述要求折减。 学过混凝土结构的人可能对0.8这个数字比较敏感,因为混凝土的长期强度是短期强度的80%左右,即压应力达到到短期抗压承载力的0.8时,如果荷载维持段时间以后,混凝土也会破坏。背后的原因我们都知道,混凝土破坏的原因是压应力达到抗压强度0.8倍及以上时,混凝土的徐变进入了非线性阶段,内部微裂纹的发展导致了混凝土的破坏。 那么是否木材和混凝土类似,长期强度是短期强度的0.8倍呢?是否也是有徐变造成的?其实不然,这一条规定,考虑的是木材特有的一个现象,我们称其为DOL效应,中文的叫法比较拗口“荷载持续时间效应”,指的是在荷载作用下,木材的强度随着时间的增长而逐渐降低的现象。而研究表明木材的长期强度只有短期强度的50%左右,而规范中却采用了一个0.8的系数,这个问题是如何考虑的? DOL现象非常复杂,目前仍然是科学家们研究的热点问题。

现行《木结构设计规范》给出了各种木材的强度设计值,实际应用的时候,还需要要乘以一系列调整系数。其中有一条“按恒荷载验算时”,木材的强度和弹性模量要乘以0.8的系数,而规范条文说明没有对此做进一步解释。这一条让不少设计者非常困扰,设计的时候也比较麻烦,我们需要考虑恒荷载和活荷载的比例,当恒荷载的比例超过80%时,木材的强度需要按上述要求折减。 学过混凝土结构的人可能对0.8这个数字比较敏感,因为混凝土的长期强度是短期强度的80%左右,即压应力达到到短期抗压承载力的0.8时,如果荷载维持段时间以后,混凝土也会破坏。背后的原因我们都知道,混凝土破坏的原因是压应力达到抗压强度0.8倍及以上时,混凝土的徐变进入了非线性阶段,内部微裂纹的发展导致了混凝土的破坏。 那么是否木材和混凝土类似,长期强度是短期强度的0.8倍呢?是否也是有徐变造成的?其实不然,这一条规定,考虑的是木材特有的一个现象,我们称其为DOL效应,中文的叫法比较拗口“荷载持续时间效应”,指的是在荷载作用下,木材的强度随着时间的增长而逐渐降低的现象。而研究表明木材的长期强度只有短期强度的50%左右,而规范中却采用了一个0.8的系数,这个问题是如何考虑的? DOL现象非常复杂,目前仍然是科学家们研究的热点问题。
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DOL效应
DOL背后的原因我们不去深究,就设计者而言,我们关心的是怎么使用。对于设计者来说,DOL的复杂体现在其时间尺度与设计使用年限有较大重叠的部分,并且还掺杂了荷载水平的影响。比如当某个木构件承担短期承载力50%的荷载时,假设在25年的时候,构件的承载力降低到了80%,在50年后,该构件的承载力将降低到50%,此时构件正好要断裂。而在承受60%短期承载力荷载的情况下,在第25年的时候,其承载力可能已经降低到了短期承载力的70%以下,构件在没有到50年的时候就断裂了。由此可见,DOL效应是和荷载持续时间及荷载水平相关的,因此单纯的说50年的DOL效应是多少,25年的DOL是多少是不合适的,还应该考虑荷载水平的影响。 实际设计的时候,如果荷载全部是恒荷载,那么在设计期限(50年)内,其作用时间是50年,我们可以采用50年满载的DOL折减系数,在我国,这个值大约是0.56。而在恒荷载+活荷载下,由于活荷载作用时间累积起来并没有达到50年,这时候我们有两种认识方法,一种认为是50年内平均荷载水平没有达到满载,因此荷载水平低,折减系数要大一些。另一种认识方法则认为有活荷载作用时间为满载时间,这个时间累积起来大致相当于2个月。只考虑这部分时间的DOL系数为0.72。而该系数已经包含在了规范给出的强度设计值中,因此我们设计的时候,一般不会感觉到有需要考虑荷载持续时间影响效应。对于荷载中恒荷载比例太大时,DOL系数会低于0.72,此时再按该值进行设计,就不安全了,需要乘以一个调整系数0.8,将0.72调整到0.56。0.8即为50年满载DOL效应和非满载DOL效应的差异,或者是50年满载DOL效应和2个月满载DOL效应的差异。 以上就是我国规范考虑DOL效应的方法,在美国规范中,考虑的更加细致,分别考虑了雪荷载,居住荷载,风荷载等,给出了不同的DOL系数,有兴趣的读者可以参阅。
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