組坯膠合木梁受彎性能有限元分析★

郭 楠 王彥軍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中膠合木梁被廣泛應(yīng)用，對(duì)膠合木梁受彎性能的要求也越來越高。組坯方式對(duì)膠合木梁的性能有重要影響，研究層板對(duì)膠合木梁性能的影響對(duì)提高膠合木梁的性能以及提高板材的利用率有重要意義。傳統(tǒng)的膠合木梁是直接將層板膠合在一起，并沒有考慮各層層板的性能，組坯方式對(duì)整體的性能的影響也沒有考慮，繼而木梁的強(qiáng)度就沒有得到充分的利用，造成材料浪費(fèi)[1-4]。因此本文通過ABAQUS分析軟件進(jìn)行建模，研究受壓次外層、受拉最外層以及相同彈模的板數(shù)量相同時(shí)，不同等級(jí)的板的不同組坯方式對(duì)膠合木梁的受力性能的影響，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 模型基本情況

1.1 基本信息

膠合木梁的跨度為3 750 mm，截面尺寸為180×200，層板的厚度為33 mm，不同等級(jí)的層板根據(jù)不同的組坯方式布置，其試驗(yàn)裝置及位移計(jì)布置如圖1所示。

膠合木梁試驗(yàn)與有限元模擬的荷載—撓度關(guān)系曲線的對(duì)比關(guān)系如圖2所示。

1.2 模型分組

試驗(yàn)?zāi)M的是規(guī)范中21等級(jí)的膠合木梁，共計(jì)7組梁，編號(hào)為An,其中n為序號(hào)1～7，組坯情況及編號(hào)如圖3所示。

2 有限元建模

2.1 概況

根據(jù)試驗(yàn)情況，梁破壞不是由于層板間膠層的破壞或是開裂，所以認(rèn)為模型層板間不發(fā)生滑移，故用綁定約束。針對(duì)本試驗(yàn)特點(diǎn)，有限元根據(jù)5個(gè)層板的本構(gòu)關(guān)系分層建立梁模型。設(shè)置模型的網(wǎng)格大小為20 mm。部件均采用八節(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元，三項(xiàng)線性位移，三項(xiàng)線性溫度單元(C3D8T)。

2.2 本構(gòu)關(guān)系

本試驗(yàn)?zāi)静牡谋緲?gòu)關(guān)系是根據(jù)木棱柱體抗壓試驗(yàn)得到的。本模型根據(jù)組坯方式的不同，逐層輸入本構(gòu)關(guān)系，不同等級(jí)層板的本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

2.3 約束及荷載

荷載是逐級(jí)施加的，根據(jù)試驗(yàn)加載制度，每分析步設(shè)置10 kN的力。試驗(yàn)梁采用兩端鉸接約束，左端限制X,Y,Z軸的移動(dòng)和繞X,Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；右端限制Y,Z軸的移動(dòng)和繞X,Y的轉(zhuǎn)動(dòng)。木梁左端的自由度設(shè)置為U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0;木梁右端的自由度設(shè)置為U2=U3=UR1=UR2=0。

3 結(jié)果及分析

3.1 受拉第二層層板影響

將受拉次外層板從Me10提高到Me12，研究受拉第二層層板對(duì)膠合木梁整體性能的影響，其變形圖，云圖和撓度圖分別如圖5～圖7所示。

受拉次外層板從Me10提高到Me12時(shí)，對(duì)比分析可得，受拉第二層層板對(duì)梁的受彎性能幾乎沒有影響。

3.2 受壓最外層層板影響

將受壓最外層層板的彈模等級(jí)從Me10提高到Me12，研究受壓最外層層板對(duì)膠合木梁整體性能的影響，其荷載—位移曲線如圖8所示。

受壓最外層板從Me10提高到Me12時(shí)，對(duì)比分析可得，受壓最外層板對(duì)梁的受彎強(qiáng)度有影響，抗彎承載力提高19.04%。

3.3 相同彈模層板數(shù)目相同的條件下，不同組坯方式對(duì)梁的受彎強(qiáng)度的影響

選取與規(guī)范中異等21等級(jí)相同等級(jí)數(shù)量的板材，將等級(jí)高的板材分別置于受拉與受壓位置，研究相同彈模層板數(shù)目相同的條件下，不同組坯方式對(duì)梁的受彎強(qiáng)度的影響，其荷載—撓度曲線如圖9所示。

對(duì)比分析可得，彈模大的板置于最外層較置于受拉層最大承載力提高38.75%，彈模大的板材置于外層時(shí)，更能發(fā)揮自身的強(qiáng)度，更能提高梁的整體性能。

3.4 最強(qiáng)彈模的板和最弱彈模的板的受力位置不同對(duì)梁的受彎強(qiáng)度的影響

研究最強(qiáng)彈模的板和最弱彈模的板的受力位置不同對(duì)梁的受彎強(qiáng)度的影響，如圖10所示。

對(duì)比分析可得，異等21等級(jí)中，將最高等級(jí)的層板置于受拉位置較置于受壓位置最大承載力提高24.5%。

4 結(jié)語

受拉最外層對(duì)梁的受彎性能影響較大，應(yīng)把高等級(jí)的板首先置于受拉最外層，受壓最外層次之，以提高梁的整體受彎性能，對(duì)提高材料的利用率有重要意義。

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