基于SAP2000的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁調(diào)控效果有限元分析

侯逸青 李 釗 劉丹彤 王漢文 李明芮

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

木結(jié)構(gòu)低碳環(huán)保，性能優(yōu)越，發(fā)展前景廣闊。為了解決傳統(tǒng)膠合木梁變形較大，木材強(qiáng)度不能得到充分利用的特點(diǎn)，界內(nèi)提出了預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁的使用。但由于施加預(yù)應(yīng)力的程度受到反拱和木材強(qiáng)度的制約，提高的效果有限，采用絲扣擰張橫向張拉預(yù)應(yīng)力設(shè)備，可以對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行隨時(shí)調(diào)控。在梁承擔(dān)使用荷載后，再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)膠合木強(qiáng)度的反復(fù)利用和高強(qiáng)鋼材的重復(fù)利用。目前，國(guó)外對(duì)膠合木梁的研究主要集中在材料的加強(qiáng)上[1-3],通過(guò)與普通膠合木梁的對(duì)比試驗(yàn)評(píng)價(jià)新型膠合木梁的受力性能。國(guó)內(nèi)對(duì)膠合木梁的研究主要集中在影響膠合木受力性能的各種因素[4,5]，對(duì)抗壓強(qiáng)度，彈性模量，延性和破壞機(jī)理進(jìn)行了比較和分析,并對(duì)預(yù)應(yīng)力施加方式和撓度計(jì)算進(jìn)行了試驗(yàn)與理論分析[6,7]。此外，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力對(duì)長(zhǎng)期負(fù)荷下膠合木梁受力及變形的影響[8]以及預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量和預(yù)應(yīng)力值對(duì)膠竹和木梁影響[9]的相關(guān)研究。但是，膠合木材料的抗壓強(qiáng)度仍然未得到充分發(fā)揮，膠合木梁受彎時(shí)易發(fā)生脆性破壞。預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁作為一種全新的組合構(gòu)件，相關(guān)的研究還比較少，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力調(diào)控效果的研究。因此，對(duì)膠合木張弦梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力調(diào)控效果研究是有極大意義的。

本文利用有限元分析軟件SAP2000，結(jié)合前期膠合木梁短期受彎試驗(yàn)的結(jié)果和選定的膠合木本構(gòu)關(guān)系模型，得到能夠反映木材正交各向異性特點(diǎn)的材料本構(gòu)關(guān)系并建立模型。對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁進(jìn)行有限元模擬分析，并在更寬的范圍內(nèi)改變預(yù)應(yīng)力調(diào)控幅度，得出調(diào)控幅度對(duì)梁受力性能的影響。

1 建模過(guò)程

1.1 預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁概況

前期試驗(yàn)中采用的配件包括膠合木梁、鋼絲、端墊板、轉(zhuǎn)向塊、螺桿、鋼墊板和支座。其中，膠合木梁的規(guī)格為3 150 mm×80 mm×100 mm，材質(zhì)為樟子松，預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛1570級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲，直徑為7 mm。預(yù)應(yīng)力施加采用絲扣擰張橫向張拉的方式，千斤頂施加破壞荷載的過(guò)程通過(guò)對(duì)三分點(diǎn)施加集中荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

木材是一種非均質(zhì)各向異性的材料，其本身比較復(fù)雜，需要采用各向異性的彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析。如圖2所示，木材的三條基本力學(xué)軸線為縱向、徑向和弦向。由于膠合木的生產(chǎn)加工特性，一般不對(duì)木材的徑向和弦向加以區(qū)分，而是將二者統(tǒng)稱為膠合木材的橫向。本文定義膠合木纖維方向?yàn)椤?”，徑向和弦向分別為“2”和“3”，則有E2=E3，G12=G13=G21=G31，G23=G32，ν12=ν13，ν21=ν31，ν23=ν32。通過(guò)典型膠合木棱柱體受壓試驗(yàn)結(jié)果繪出應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示，進(jìn)而得到膠合木的彈性模量、剪切模量及泊松比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膠合木的各項(xiàng)參數(shù)N/mm2

1.3 有限元模型的建立

用SAP2000建立的有限元模型部件包括：膠合木梁、鋼絲、端墊板、鋼墊板、螺桿和支座。為了便于計(jì)算，省略了端部錨具，讓預(yù)應(yīng)力鋼絲直接錨固在端部墊板上。創(chuàng)建完各個(gè)部件后，按照試驗(yàn)梁中的實(shí)際位置對(duì)其進(jìn)行組裝，裝配完成后的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁見(jiàn)圖4。本文采用對(duì)螺桿施加應(yīng)變荷載的方式模擬加載預(yù)應(yīng)力，千斤頂施加破壞荷載的過(guò)程通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)集中荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 合理調(diào)控范圍研究

2.1 分析工況

在五個(gè)試驗(yàn)工況基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)新工況，模擬工況的具體參數(shù)如表2所示。

表2 模擬工況

2.2 截面應(yīng)力分布

為了探討調(diào)控幅度對(duì)梁截面應(yīng)力分布的影響，將預(yù)應(yīng)力膠合木梁調(diào)控完成時(shí)刻的應(yīng)力云圖進(jìn)行整理和分析，如圖5所示，以調(diào)控程度為7.5%時(shí)的工況為例。同時(shí)，整理出膠合木調(diào)控完成時(shí)刻和破壞時(shí)刻的跨中拉壓應(yīng)力，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 跨中拉壓應(yīng)力具體數(shù)值

N/mm2

1)調(diào)控完成時(shí)刻的應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖可知，隨著膠合木梁調(diào)控程度的增加，調(diào)控完成時(shí)刻，梁底最大壓應(yīng)力趨于增大，梁頂最大拉應(yīng)力趨于減小，且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在三分點(diǎn)之間。隨著調(diào)控程度的增大，三分點(diǎn)間處應(yīng)力與端部應(yīng)力相差逐漸減小。這是因?yàn)閮扇贮c(diǎn)處存在集中力，產(chǎn)生跨中大，端部小的彎矩分布，而預(yù)應(yīng)力鋼絲在兩端產(chǎn)生的集中力會(huì)產(chǎn)生沿梁數(shù)值不變的彎矩作用，預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力越大，越使梁最終彎矩圖趨于緩和。

2)調(diào)控完成時(shí)刻和破壞時(shí)刻的跨中拉壓應(yīng)力。由表3可知，調(diào)控完成時(shí)刻，所有類型的梁，跨中梁頂(底)均受拉(壓)，且隨著調(diào)控程度的增加表現(xiàn)出拉應(yīng)力減小壓應(yīng)力增大的趨勢(shì)。在破壞時(shí)刻，所有類型的梁梁頂均達(dá)到了受壓屈服應(yīng)力，梁底拉應(yīng)力隨調(diào)控程度的增加而逐漸減小。

2.3 不同調(diào)控程度下梁的承載力

對(duì)不同工況下的梁施加破壞荷載，所得梁的承載力見(jiàn)表4。

表4 不同調(diào)控程度下梁的承載力

由表4可知，隨著調(diào)控程度的增加，有限元分析得到的預(yù)應(yīng)力膠合木梁的承載力依次提高，與未調(diào)控的梁相比，調(diào)控7.5%～45%的梁，其承載力增大了10.31%～40.07%，調(diào)控效果明顯。