木結(jié)構(gòu)組合板蒙皮效應(yīng)研究

王衛(wèi)鋒，崔楠楠，顏全勝，黃仕平，朱競(jìng)翔，夏珩

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州510640;2.香港中文大學(xué)建筑學(xué)院，香港)

木結(jié)構(gòu)具有資源再生、綠色環(huán)保、建造方便、自重較小、抗震及耐久性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)，在北美、歐洲等地大量應(yīng)用于住宅建筑和公用建筑中。木材在我國古代曾是一種主要的建筑材料，近現(xiàn)代以來逐漸被混凝土、鋼材等取代。與其他材料結(jié)構(gòu)相比，木結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，具有較好的抗震性能，其多次超靜定結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向力作用下具有極好的延性［1-2］。近年來，木材因其優(yōu)秀的抗震性能，重新引起研究者的關(guān)注。

木材是受保護(hù)能源，如何在保證強(qiáng)度和剛度的前提下節(jié)省材料是值得研究的問題。蒙皮這一結(jié)構(gòu)概念來源于汽車、飛機(jī)及船舶行業(yè)，蒙皮效應(yīng)是指在主體結(jié)構(gòu)物表面覆蓋殼面，使結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度加強(qiáng)，設(shè)計(jì)中考慮蒙皮效應(yīng)能減少用材量［3-8］。在建筑業(yè)中，我國僅對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了初步探討［3，6］，對(duì)于木結(jié)構(gòu)蒙皮效應(yīng)的研究還是空白。本文將對(duì)一種新型木結(jié)構(gòu)組合板進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析蒙皮對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為節(jié)約用材、減輕自重拓展新思路，并對(duì)實(shí)際工程中蒙皮的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件概況

試驗(yàn)所用新型木結(jié)構(gòu)組合板如圖1所示。組合板尺寸為1 800 mm×1 245 mm，主體結(jié)構(gòu)由3根縱梁(40 mm ×25 mm)、10 根橫梁(50 mm ×20 mm)、3根橫梁(100 mm×20 mm)組成。3根縱梁之間填充輕質(zhì)泡沫，上層橫梁之上覆蓋3 mm厚的蒙皮木板，下層橫梁之下覆蓋9 mm厚的石膏板和3 mm厚的蒙皮木板?？v梁、橫梁和蒙皮板之間為鉚釘連接。

圖1 組合板結(jié)構(gòu)Fig.1 The layout of the composite timber structure

為研究蒙皮效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)試件分為2組:A組為如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)組合板，B組為去掉蒙皮板和石膏板之后的主體結(jié)構(gòu)(僅有橫梁縱梁和填充泡沫)。2組試件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test structures

用重10 kg標(biāo)準(zhǔn)加載塊進(jìn)行加載，近似模擬組合板所受的均布荷載，如圖3所示。正式試驗(yàn)前，先進(jìn)行預(yù)載，以檢查各儀表、傳感器工作情況，消除各種非線性初始影響。A組帶蒙皮組合板試驗(yàn)最大設(shè)計(jì)荷載為3 kN(均布荷載約1.35 kN/m2)，分20%、40%、60%、80%、100%共5級(jí)加載，加至最大荷載后，以同樣的荷載級(jí)分5級(jí)卸載至0，然后做破壞試驗(yàn)。B組未蒙皮組合板試驗(yàn)最大設(shè)計(jì)荷載為1.6 kN(均布荷載約為0.71 kN/m2)，分25%、50%、75%、100% 共4級(jí)加載，以同樣的荷載級(jí)分4級(jí)卸載至0，然后做破壞試驗(yàn)。為測(cè)試結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，在關(guān)鍵部位進(jìn)行豎向撓度和應(yīng)變的測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。試件的豎向撓度由百分表測(cè)量，應(yīng)變由鋼弦傳感器測(cè)量，用TDS303靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)。

圖3 帶蒙皮組合板結(jié)構(gòu)加載圖Fig.3 The loading test for composite timber structure with skin plate

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 The location of the measure points

2 有限元模型數(shù)值結(jié)果

有限元計(jì)算的結(jié)果可以作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦可反觀其可靠性，因此有限元計(jì)算對(duì)試驗(yàn)與分析都具有重要意義［9-12］。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模型采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID 45模擬縱橫梁和蒙皮板，因石膏板和填充泡沫彈性模量遠(yuǎn)小于木材，其剛度貢獻(xiàn)有限，因此忽略二者的影響?？v橫梁和蒙皮板主要在縱紋方向受力，將木材等效為各向同性的勻質(zhì)材料，根據(jù)文獻(xiàn)［10］，取順紋方向的彈性模量10 000 MPa，泊松比0.03。橫梁與蒙皮板的釘連接采用矩陣單元MATRIX27模擬，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，釘連接的豎向剛度取1 000 kN/m，橫向剛度200 kN/m。模型支撐方式為單向簡(jiǎn)支，本文僅進(jìn)行彈性分析。為確保分析準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行了精細(xì)劃分:其中帶蒙皮組合板模型共147 903節(jié)點(diǎn)，471 814單元;未帶蒙皮板模型共50 677節(jié)點(diǎn)，181 814單元。最大荷載下A、B組撓度和應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 最大荷載下A、B組撓度和應(yīng)力云圖Fig.5 The finite element analysis results for A and B groups under maximum loads

3 試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出荷載-撓度曲線以及荷載-應(yīng)力曲線，如圖6所示。從圖中可以看到，帶蒙皮組合板具有較好的剛度和強(qiáng)度。《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］對(duì)強(qiáng)度和剛度的取值如下:對(duì)強(qiáng)度取值為(TC15等級(jí))15 MPa，剛度取值為L(zhǎng)/250(L為板的跨徑，按照試驗(yàn)支撐方式，除去支座，計(jì)算跨徑取1 700 mm，即對(duì)組合板的允許撓度為6.8 mm)。撓度測(cè)點(diǎn)(A～E)和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(1～4)均隨荷載增大而增大。對(duì)照試驗(yàn)所得的荷載-撓度曲線，帶蒙皮組合板設(shè)計(jì)均布荷載可取為0.62 kN/m2左右(圖6(a)跨中撓度E點(diǎn)撓度達(dá)到6.8 mm所對(duì)應(yīng)的均布荷載值);未蒙皮組合板設(shè)計(jì)均布荷載可取為0.24 kN/m2左右(圖6(c)跨中撓度E點(diǎn)撓度達(dá)到6.8 mm所對(duì)應(yīng)的均布荷載值)。根據(jù)荷載-應(yīng)力曲線，帶蒙皮組合板設(shè)計(jì)均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右(圖6(b)近跨中2、4測(cè)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到15 MPa所對(duì)應(yīng)的均布荷載值);未蒙皮組合板設(shè)計(jì)均布荷載可以取為0.55 kN/m2左右(圖6(d)近跨中2、4測(cè)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到15 MPa所對(duì)應(yīng)的均布荷載值)。由此可見，帶蒙皮組合板的剛度和強(qiáng)度比未蒙皮組合板均有較大的提高，分別提高了167%和64%。圖6(e)～(f)分別對(duì)2組構(gòu)件撓度(E點(diǎn))和應(yīng)力(4測(cè)點(diǎn))做了對(duì)比，同樣可以看出帶蒙皮組合板有較大的增強(qiáng)作用。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果曲線圖Fig.6 The curves of the experimental results

此外，對(duì)比蒙皮組合板和未蒙皮組合板的荷載-撓度曲線和荷載-應(yīng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)未蒙皮組合板測(cè)點(diǎn)的撓度和應(yīng)力在卸載后基本回到加載前的零點(diǎn)，而帶蒙皮組合板的撓度和應(yīng)力在卸載后并未回到零點(diǎn)，有所剩余。原因可能有2個(gè):1)蒙皮板和主體結(jié)構(gòu)鉚釘連接不夠牢固，在加載過程中出現(xiàn)松動(dòng)從而引起錯(cuò)位;2)蒙皮板處于上下層邊緣，容易進(jìn)入塑性狀態(tài)。

組合板在破壞時(shí)出現(xiàn)較大變形，為避免測(cè)量?jī)x器損壞，破壞試驗(yàn)時(shí)未測(cè)量應(yīng)力和撓度，僅獲得其極限荷載。A組在加至2倍試驗(yàn)荷載6 kN(均布荷載約2.7 kN/m2)時(shí)仍未發(fā)生破壞，但已出現(xiàn)較大撓度，考慮試驗(yàn)人員安全，終止試驗(yàn)。B組在3.8 kN(均布荷載約1.7 kN/m2)發(fā)生破壞，板在跨中被拉斷。因此帶蒙皮組合板的極限荷載至少為未蒙皮板組合板的1.6倍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算對(duì)比

有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果比較圖Fig.7 The comparison between the experiment and the simulation

圖7(a)、(b)分別對(duì)A組跨中(E測(cè)點(diǎn))撓度和近跨中(4測(cè)點(diǎn))的應(yīng)力與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，吻合度較好。同樣，圖7(c)、(d)分別對(duì)B組跨中(E測(cè)點(diǎn))撓度及近跨中(4測(cè)點(diǎn))的應(yīng)力和有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，亦有較好的吻合度。由此可見，建立的有限元模型可以較為準(zhǔn)確地反映組合板的受力性能，可用于這類組合板的進(jìn)一步參數(shù)分析。

4 材料節(jié)約量計(jì)算

為了計(jì)算蒙皮效應(yīng)所帶來的材料節(jié)約量，本文利用有限元計(jì)算軟件，將蒙皮組合板等效為面積相同的單一材料木板。等效分2種方式進(jìn)行:

1)剛度等效:在試驗(yàn)最大荷載下(1.35 kN/m2)，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中撓度，等效的木板厚度為22 mm。

2)強(qiáng)度等效:在試驗(yàn)最大荷載下，相同面積的單一材料木板具有和帶蒙皮組合板相同的跨中最大應(yīng)力，等效的木板厚度為12 mm。

等效的結(jié)果表明，當(dāng)同時(shí)滿足剛度和強(qiáng)度要求時(shí)，帶蒙皮組合板的木材使用量為0.039 m3，單一材料木板的用量為0.049 m3。由此可見，此種新型的木結(jié)構(gòu)組合板可以節(jié)約20%的材料。

5 結(jié)論

1)根據(jù)試驗(yàn)得出的帶蒙皮組合板的設(shè)計(jì)荷載，對(duì)照荷載-撓度曲線，設(shè)計(jì)均布荷載可取為0.62 kN/m2左右;根據(jù)荷載-應(yīng)力曲線，設(shè)計(jì)均布荷載可以取為0.9 kN/m2左右，因此，設(shè)計(jì)荷載可取0.62 kN/m2。極限強(qiáng)度(破壞荷載)可達(dá)2.7 kN/m2以上。

2)帶蒙皮組合板比未蒙皮組合板在剛度和強(qiáng)度均有較大的增強(qiáng)作用，分別提高了167%和64%。此外，試驗(yàn)表明，帶蒙皮組合板的極限荷載為未蒙皮板組合板的1.6 倍。

3)有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說明建立的有限元模型可以較準(zhǔn)確地反映組合板的受力性能，因此，有限元模型可用于這類組合板的進(jìn)一步參數(shù)分析。

4)有限元計(jì)算表明，在同時(shí)滿足剛度和強(qiáng)度要求的情況下，相較單一材料木板，帶蒙皮組合板可以節(jié)約20%的材料。

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