內(nèi)嵌鋼板鋼銷木連接抗彎性能數(shù)值分析

董 鑒 張盛東

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 20092)

1 引 言

節(jié)點(diǎn)連接是結(jié)構(gòu)的重要組成部分且其受力狀態(tài)復(fù)雜，是設(shè)計(jì)、研究中最受關(guān)注的課題之一。尤其在木結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)連接是木結(jié)構(gòu)性能的控制因素。為滿足節(jié)點(diǎn)連接的使用性能要求，內(nèi)嵌鋼板鋼銷連接應(yīng)運(yùn)而生，其已是一種在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的連接方式之一。

木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中內(nèi)嵌鋼板銷式連接大多假定為鉸接，但也有許多項(xiàng)目中將其用作抗彎連接， 2010年上海世博會(huì)挪威館就采用了這種連接方式。國內(nèi)外對(duì)于該種連接的研究主要集中于節(jié)點(diǎn)連接的順紋、橫紋性能[1-5]，而對(duì)其抗彎性能的研究相對(duì)較少[6]。為充分了解內(nèi)嵌鋼板銷式木連接在彎矩作用下的受力性能，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要意義。

2 試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)中所涉及的材料包括膠合木、鋼銷和鋼板。鋼板采用Q235鋼，實(shí)測厚度為7.2 mm；鋼銷實(shí)測直徑為10.6 mm，其抗拉屈服強(qiáng)度平均值為357 MPa，極限抗拉強(qiáng)度平均值為478 MPa。評(píng)定膠合木的強(qiáng)度等級(jí)為GL 36 h[8]。

試驗(yàn)分為A、B兩組試件，膠合木梁均是內(nèi)嵌3塊鋼板，其中，A組試件節(jié)點(diǎn)連接均位于連接構(gòu)件的純彎段，B組試件連接節(jié)點(diǎn)均位于連接構(gòu)件的彎剪段。具體參數(shù)見表1，試驗(yàn)布置如圖1所示[9]。

表1試驗(yàn)主要參數(shù)

Table1Detailsofexperiment

組號(hào)試件編號(hào)節(jié)點(diǎn)位置a鋼銷列數(shù)nrALA-12 600 mm2LA-22 600 mm3BLB-11 500 mm2LB-21 500 mm3鋼銷行距鋼銷列距鋼銷端距鋼銷邊距80 mm90 mm85 mm35 mm

圖1 試驗(yàn)布置示意(單位：mm)Fig.1 Experiment arrangement (Unit: mm)

3 膠合木梁抗彎性能數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型簡介

數(shù)值模型采用三維有限元模型。其中，膠合木由于本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，采用Hill屈服準(zhǔn)則[10]結(jié)合雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN，來考慮材料的各向異性和屈服后的材料強(qiáng)化；鋼銷和鋼板都是理想彈塑性材料，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN模型；單元選用SOLID185單元，模型中木材與鋼銷接觸區(qū)域單元尺寸取為20，其他部分取為40；模型采用了接觸分析，接觸單元采用面—面接觸對(duì)TARGE170和CONTA173。木材與木材之間的摩擦系數(shù)采用0.3，木材與鋼板之間的摩擦系數(shù)采用0.1[6,7]，木材與鋼銷之間的摩擦系數(shù)采用0.5。木梁支座約束按簡支梁設(shè)置，荷載采用點(diǎn)荷載加載。數(shù)值模型如圖2所示，參數(shù)取值如表2所示。

圖2 ANSYS模型Fig.2 Model in ANSYS

表2膠合木材料參數(shù)[11]

Table2Detailsoflaminatedtimber[11]

材料參數(shù)數(shù)值屈服強(qiáng)度/MPa20順紋彈性模量/MPa11 900橫紋彈性模量/MPa490剪切模量/MPa910γLR0.35γLT0.32γRT0.42

注：γLR，γLT，γRT為膠合木各個(gè)方向的泊松比，其中，LR代表縱向和徑向組成的平面，LT代表縱向和切向組成的平面，RT代表徑向和切向組成的平面。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

A、B組模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比數(shù)值模擬中承載力峰值點(diǎn)的定義是：ANSYS計(jì)算不收斂時(shí)前一級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。通過圖3對(duì)比得出，A、B組荷載—跨中位移曲線模擬值與試驗(yàn)值比較吻合，這表明該數(shù)值模型的建立是可行的。因此，可通過數(shù)值模擬，以LA-1試件的幾何尺寸、材料參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，改變一定的設(shè)計(jì)參數(shù)來進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)連接性能的影響因素。

圖3 A、B組木梁荷載-跨中位移曲線圖Fig.3 P-Δ curves of group A and B

3.3 不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)連接抗彎性能影響的研究

1) 鋼銷直徑

圖4顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷直徑對(duì)連接抗彎性能的影響?？梢钥闯觯弘S著鋼銷直徑的增大，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，但其影響是有限的。

圖4 不同鋼銷直徑的荷載-跨中位移曲線Fig.4 P-Δ curve of different dowel diameters

2) 鋼銷列數(shù)

圖5顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷列數(shù)對(duì)連接抗彎性能的影響?？梢钥闯觯轰撲N列數(shù)增大，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大；同時(shí)，由2列增加到3列鋼銷對(duì)跨中位移和極限荷載的影響顯著。

3) 鋼板數(shù)量

圖6顯示了其他條件相同情況下不同鋼板數(shù)量對(duì)連接抗彎性能的影響?？梢钥闯觯轰摪鍞?shù)量增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，且其影響顯著，但當(dāng)鋼板數(shù)量增加到4塊時(shí)，其影響明顯減?。辉龃箐摪彘g距能一定程度地提高連接抗彎性能。

圖5 不同鋼銷列數(shù)的荷載-跨中位移曲線Fig.5 P-Δ curve of different dowel columns

圖6 不同鋼板數(shù)量的荷載-跨中位移曲線Fig.6 P-Δ curve of different steel plates

圖7 不同鋼板數(shù)量下的變形最大鋼銷Fig.7 The largest deformation dowel under different steel plates

然而，據(jù)Gehri[12]等研究表明，鋼板數(shù)量增加到4塊時(shí)，連接的承載力反而減小了，這主要是由于鋼板數(shù)量的增加，鋼板間木材厚度相應(yīng)減小，導(dǎo)致鋼板間木材更容易發(fā)生劈裂破壞?？梢姴⒉皇卿摪鍞?shù)量越多越好，采用鋼板數(shù)量不應(yīng)多于3塊。

同時(shí)，每個(gè)鋼板有2個(gè)剪切面，理論上增加鋼板數(shù)量能等比例地提高連接抗彎性能，事實(shí)并非如此。這是由于在不同鋼板數(shù)量下，鋼銷的破壞模式是不同的。通過圖7的比較可以清晰地看到這一點(diǎn)。

4) 鋼板厚度

圖8顯示了其他條件相同情況下不同鋼板厚度對(duì)連接抗彎性能的影響?？梢钥闯觯涸黾愉摪搴穸葘?duì)提高連接抗彎性能不明顯。

圖8 不同鋼板厚度的荷載-跨中位移曲線Fig.8 P-Δ curve of different thickness of steel plates

5) 鋼銷強(qiáng)度等級(jí)

圖9顯示了其他條件相同情況下不同鋼銷強(qiáng)度等級(jí)對(duì)連接抗彎性能的影響(LA-1中鋼銷強(qiáng)度按4.6級(jí)考慮)。可以看出：隨著鋼銷強(qiáng)度等級(jí)的增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大，其影響幅度與鋼銷直徑影響相近。

圖9 不同鋼銷強(qiáng)度等級(jí)的荷載-跨中位移曲線Fig.9 P-Δ curve of different strength of dowel

6) 膠合木強(qiáng)度等級(jí)

圖10顯示了其他條件相同情況下不同膠合木強(qiáng)度等級(jí)對(duì)連接抗彎性能的影響?？梢钥闯觯弘S著膠合木強(qiáng)度等級(jí)的增加，膠合木梁剛度增大，極限承載力增大。

4 結(jié) 論

(1) 通過建立三維有限元模型分析比較，從模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來看，該數(shù)值模型能夠較好地模擬試驗(yàn)。

圖10 不同膠合木強(qiáng)度的荷載-跨中位移曲線Fig.10 P-Δ curve of different strength of laminated timber

(2) 通過不同設(shè)計(jì)參數(shù)影響研究，增加鋼板數(shù)量與鋼銷列數(shù)均能較大幅度地提高連接抗彎性能；增大鋼板間距能一定程度地提高連接抗彎性能；鋼銷直徑、鋼銷強(qiáng)度等級(jí)、膠合木強(qiáng)度等級(jí)的增加均能一定程度地提高連接抗彎性能，但其影響是有限的；鋼板厚度對(duì)連接抗彎性能的影響不明顯。

(3) 在工程中，不考慮制作和裝配工藝的要求，建議優(yōu)先選用6 mm厚的鋼板、2塊鋼板(盡可能大的間距)、3列鋼銷；當(dāng)需要提高連接抗彎性能時(shí)，優(yōu)先增加鋼板數(shù)量(鋼板數(shù)量不多于3塊)和鋼銷列數(shù)，其次選擇提高鋼銷直徑、鋼銷強(qiáng)度等級(jí)、膠合木強(qiáng)度等級(jí)。

上述結(jié)論能為今后木結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

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