基于有限元分析的薄壁型鋼—木組合梁受剪性能的研究★

鄧瑞澤 李彤桐 瞿 鈺 方立群

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

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

基于有限元分析的薄壁型鋼—木組合梁受剪性能的研究★

鄧瑞澤 李彤桐 瞿 鈺 方立群

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

針對鋼—木組合梁受剪性能不明確的問題，利用有限元分析軟件ANSYS,建立了薄壁型鋼—膠合木組合梁模型，并對比研究了不同的型鋼尺寸、木材截面寬度尺寸、剪跨比λ對工字型薄壁型鋼—木組合梁抗剪承載力的影響規(guī)律，為類似研究提供參考。

冷彎薄壁型鋼，組合梁，受剪性能，膠合木

木材作為可再生的建筑材料，其環(huán)保性優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)形式是目前國外住宅的主要結(jié)構(gòu)形式[1-4]。該結(jié)構(gòu)體系具有結(jié)構(gòu)自重輕，抗震性能好，建造周期短等優(yōu)勢，能最大限度的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化制作、建造、安裝。普通木梁由于木材的材料強(qiáng)度低，導(dǎo)致其性能難以滿足功能要求，將鋼—木組合在一起可以更充分的發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，目前，梁在受彎承載性能上的優(yōu)勢也得到了初步驗(yàn)證，但關(guān)于鋼—木組合梁受剪性能的研究未見文獻(xiàn)明確的報(bào)道，其抗剪性能尚不明確。

針對上述問題，利用有限元分析軟件ANSYS建立薄壁型鋼—膠合木組合梁的有限元模型，對比研究不同的型鋼尺寸、木材截面寬度尺寸、剪跨比λ對工字型薄壁型鋼—木組合梁抗剪承載力的影響規(guī)律。

1 模型信息

1.1 冷彎薄壁型鋼—木組合梁

冷彎薄壁型鋼—木組合梁是由工字型薄壁鋼與上部的矩形膠合木組合而成的增強(qiáng)木構(gòu)件，工字型薄壁鋼設(shè)置在組合梁的下方，在冷彎薄壁型鋼上翼緣疊合膠合木。截面構(gòu)造如圖1所示。

1.2 模型幾何屬性和材料屬性

用于分析鋼—木組合梁模型的長度為1 800 mm，結(jié)構(gòu)形式為簡支梁。根據(jù)薄壁工字型鋼和膠合木層的斷面尺寸以及剪跨比λ共進(jìn)行49組分析。其中采用的薄壁工字型鋼的規(guī)格Ⅰ為100×100×5×5×5，規(guī)格Ⅱ?yàn)?00×100×4×5×5。采用的膠合木板材的尺寸100 mm×50 mm,100 mm×50 mm,200 mm×50 mm。每組模型分別進(jìn)行剪跨比λ=4.0,3.0,2.0,1.8,1.6,1.4,1.0的分析。模型的編號為Ln-λ，其中的Ln表示對應(yīng)截面的組合的模型編號，列于表1中，λ為對應(yīng)計(jì)算的剪跨比。例如L2-1.6表示模型編號為L2的梁剪跨比λ=1.6的分析結(jié)果。冷彎薄壁型鋼—膠合木組合梁的模型如圖1所示,同時(shí)建立一個(gè)截面尺寸為100×150的普通膠合木梁模型LW，作為計(jì)算結(jié)果的對比。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缧畔?/p>

1.3 有限元模型的建立

ANSYS中的Beam185單元可以模擬材料破壞時(shí)的脆性性質(zhì)，所以采用Beam185單元模擬型鋼和木。有限元建模時(shí)，假定薄壁型鋼為各向同性的均質(zhì)材料，彈性模量E=205 GPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.3，采用理想的彈塑性二折線模型模擬其材料的本構(gòu)關(guān)系，其屈服應(yīng)變1 146 με，極限應(yīng)變?nèi)? 000 με[5]。

木材屬于各向異性材料，假設(shè)研究對象是有兩個(gè)正交對稱面的材料，膠合木材質(zhì)的短期加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，得到三折線型的本構(gòu)曲線用于程序分析,見圖2。順紋方向、徑向和切向的彈性模量E1=10 000 MPa,E2=E3=497.51 MPa，3個(gè)平面內(nèi)的剪切彈性模量G12=G13=675 MPa，G23=180 MPa，泊松比0.337。

薄壁鋼—木組合截面梁由膠合木層和薄壁鋼構(gòu)件組成，實(shí)際中組合構(gòu)件的連接依靠剪力鍵實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械連接，能保證梁在工作狀態(tài)下的各構(gòu)件的整體性能，在有限元分析時(shí)忽略鋼構(gòu)件與木構(gòu)件間的滑移，膠合木層與薄壁鋼在接觸面上按完全耦合的方式進(jìn)行設(shè)置。為獲得鋼—木組合截面梁受剪狀態(tài)下的力學(xué)性能，對各個(gè)模型采用兩點(diǎn)對稱加載方式，加載點(diǎn)的位置隨著剪跨比的不同有所改變，對所有梁施加外部集中力F直至試件達(dá)到極限狀態(tài)為止。各個(gè)模型的邊界條件相同，均為一端為固定鉸支座，另一端為可以活動(dòng)的支座的簡支梁。在計(jì)算前在計(jì)算模型兩端的支座連接件底板上按簡支梁的受力狀態(tài)施加約束，在一端約束X,Y,Z三個(gè)方向的位移，另一端則約束X和Y兩個(gè)方向的位移，其中X為沿著工字鋼翼緣的方向，Y為沿著工字鋼腹板的方向，Z為沿著試件長度的方向。

2 結(jié)果及分析

進(jìn)行有限元分析時(shí)，以模型中鋼或者膠合木達(dá)到極限應(yīng)變作為組合梁達(dá)到承載極限狀態(tài)的標(biāo)志。通過分析計(jì)算獲得了所有梁模型加載的過程狀態(tài)以及極限承載狀態(tài)。如圖3所示為模型L1，λ=4.0條件下經(jīng)ANSYS分析所得的變形及應(yīng)力分布狀況。

分步加載的計(jì)算結(jié)果表明，各組模型梁在加載過程中，梁中的薄壁型鋼最先屈服，而破壞起于膠合木材料。

當(dāng)λ>3.0時(shí)，模型梁純彎曲區(qū)段的膠合木的壓應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由抗彎強(qiáng)度控制。此時(shí)的所有模型梁的彎剪比(彎矩與剪力的比值)為0.60。當(dāng)模型的λ在1.4～3.0之間時(shí)，在模型梁的剪彎段，膠合木的拉應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由膠合木抗拉強(qiáng)度控制。此時(shí)的所有模型梁的彎剪比為0.27～0.45。當(dāng)模型的λ在1.0～1.4之間時(shí)，在模型梁的剪彎段，膠合木的壓應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由膠合木抗壓強(qiáng)度控制，此時(shí)的所有模型梁的彎剪比為0.15～0.21。總體表現(xiàn)的規(guī)律是組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低，對應(yīng)的受彎承載力逐步升高。

PU，MU，VU，δ為模型在承載力極限狀態(tài)下所承受的集中荷載、彎矩、剪力及跨中撓度(見表2)。

表2 L1與L4組模型不同剪跨比條件下計(jì)算結(jié)果對比

當(dāng)λ>3.0時(shí)，模型梁純彎曲區(qū)段的膠合木的壓應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由抗彎強(qiáng)度控制。此時(shí)的所有模型梁的彎剪比(彎矩與剪力的比值)為0.60。當(dāng)模型的λ在1.4～3.0之間時(shí)，在模型梁的剪彎段，膠合木的拉應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由膠合木抗拉強(qiáng)度控制。此時(shí)的所有模型梁的彎剪比為0.27～0.45。當(dāng)模型的λ在1.0～1.4之間時(shí)，在模型梁的剪彎段，膠合木的壓應(yīng)變率先達(dá)到極限應(yīng)變，模型的破壞由膠合木抗壓強(qiáng)度控制，此時(shí)的所有模型梁的彎剪比為0.15～0.21。總體表現(xiàn)的規(guī)律是組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低，對應(yīng)的受彎承載力逐步升高。

如圖4所示為不同腹板厚度時(shí)，模型梁受剪承載力的對比。結(jié)果腹板厚度由5 mm增加至6 mm后，腹板面積增量為20%，各組梁的受剪承載力提高了15.6%～18.9%。當(dāng)膠合木層的寬度由100 mm增加至150 mm時(shí)，面積增量為50%，隨剪跨比不同，受剪承載力提高7.4%～6.5%，當(dāng)膠合木層的寬度由100 mm增加至200 mm時(shí)，面積增量為100%，隨剪跨比不同，受剪承載力提高8.5%～11.9%。說明型鋼腹板對組合梁抗剪能力的影響較大。

圖5是7組模型隨剪跨比改變跨中最大撓度的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明當(dāng)剪跨比λ在1.6以下時(shí)，梁的變形能力很小，當(dāng)λ>3.0時(shí)，梁達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)變形能力的增長已不顯著。

與普通木梁相比，L1～L6組梁的受剪承載力提高110.7%～59.8%，變形能力提高230.7%～52.3%。說明鋼木組合梁具有更好的受剪力學(xué)性能。

3 結(jié)論及討論

采用有限元程序ANSYS對6個(gè)不同規(guī)格模型試驗(yàn)梁構(gòu)進(jìn)行了受剪性能的研究,主要結(jié)論有：1)工字型冷彎薄壁型鋼—木組合梁能大幅改善木梁的承載力和延性。6組工字型冷彎薄壁型鋼—木組合梁計(jì)算結(jié)果表明，在不同剪跨比的條件下受剪極限承載力提高110.7%～59.8%，極限變形能力提高230.7%～52.3%。2)組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低。當(dāng)λ>3.0時(shí)，組合梁的破壞由抗彎強(qiáng)度控制。當(dāng)模型的λ<1.6時(shí)，組合梁的破壞由抗剪強(qiáng)度控制。受剪承載力取決于木材的材料屬性。3)組合梁的抗剪承載力與型鋼的腹板厚度以及膠合木的截面尺寸相關(guān)。型鋼腹板對組合梁抗剪能力的影響更大。

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Study on cold-formed thin-walled steel-wood composite beam shearing performance on the basis of finite element analysis★

Deng Ruize Li Tongtong Qu Yu Fang Liqun

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

In light of the ambiguity of steel-wood composite beam shearing performance, applying finite element software ANSYS, the paper establishes thin-walled steel-laminated wood composite beam model, compares and studies the influential law of different steel size, wood section width size, shearing-span ratioλupon I-shaped cold-formed thin-walled steel-wood composite beam anti-shearing bearing capacity, which has provided some guidance for similar research.

cold-formed thin-walled steel, composite beam, shearing performance, laminated wood

1009-6825(2017)17-0028-03

2017-03-29★：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃(項(xiàng)目編號：201610225202)

鄧瑞澤(1995- )，男，在讀本科生; 李彤桐(1995- )，女，在讀本科生; 瞿 鈺(1996- )，女，在讀本科生; 方立群(1997- )，男，在讀本科生

O241.82

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