基于ABAQUS的預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁受彎性能研究★

劉秀俠　張平陽(yáng)　郭　楠

(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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基于ABAQUS的預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁受彎性能研究★

劉秀俠張平陽(yáng)郭楠

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

摘要:采用ABAQUS有限元程序，建立了預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁分析模型，從預(yù)應(yīng)力值與預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量?jī)煞矫?，分析了影響預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁受彎性能的因素，指出預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量的合理增加可增強(qiáng)其抗彎剛度，預(yù)應(yīng)力值對(duì)其抗彎剛度的影響不大。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力，膠合竹木梁，受彎性能，有限元

★:黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):E201402);國(guó)家林業(yè)局林業(yè)項(xiàng)目科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2014-04)

1　概述

竹、木結(jié)構(gòu)因其節(jié)能、環(huán)保、宜居等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，作為該結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件之一，有必要對(duì)膠合竹木梁展開研究。然而，純膠合竹木梁存在變形較大、易脆性受拉破壞及不能充分利用材料強(qiáng)度等問(wèn)題，因此，本文提出預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁。目前，國(guó)內(nèi)外的研究集中在竹木復(fù)合材的材性研究［1，2］、膠合竹梁、木梁受力性能和破壞形態(tài)研究［3-5］及預(yù)應(yīng)力木梁研究［6，7］，尚無(wú)對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的研究，因此，有必要開展對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的研究。本文利用ABAQUS有限元程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力膠合竹木梁進(jìn)行建模分析，研究預(yù)應(yīng)力值及預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁短期受彎性能的影響，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2　模型基本信息

2．1材料及尺寸

梁跨為3 150 mm，截面尺寸為100×100，采用厚20 mm的重組竹與楊木間隔布置的方式，由于本模型左右完全對(duì)稱，因此僅建立1/2個(gè)模型，如圖1所示。鋼筋采用直徑為7 mm的1570及低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲，在三分點(diǎn)通過(guò)絲扣擰張橫向張拉法施加預(yù)應(yīng)力。

圖1　預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁

2．2加載方式及梁編號(hào)

采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載，即在三分點(diǎn)處施加大小、方向均相同的外荷載。共計(jì)9根梁，編號(hào)為L(zhǎng)m，n，其中，m表示預(yù)應(yīng)力值;m為1，2，3分別表示預(yù)應(yīng)力為1．987 kN，3．975 kN和5．962 kN;n表示預(yù)應(yīng)力鋼絲根數(shù)，n為1，2，3分別表示鋼絲為2根，4根，6根。

2．3材料屬性

考慮到重組竹、楊木的徑向及切向特性相差不大，且明顯低于縱向特性，近似認(rèn)為徑向與切向特性相同，將其物理特性簡(jiǎn)化為9個(gè)，具體取值參考GB/T 50708—2012膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范及棱柱體試件抗壓試驗(yàn)。對(duì)預(yù)應(yīng)力筋，其材料性能按GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值。對(duì)墊片、張弦螺桿等其他部件，不考慮其彈性變形，將彈性模量取2．0×107N/mm2。需要指出，為建模方便，對(duì)4根，6根鋼絲的情況，均按2根建模，但將半徑等效為4．95 mm及6．06 mm。

2．4分析步

共三個(gè)分析步，即初始分析步(Initial)、施加預(yù)應(yīng)力(Step1)及施加集中荷載(Step2)。在Initial，定義各部件間的接觸、約束及邊界條件，具體如下:在三分點(diǎn)梁頂建參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)與墊片采用Coupling約束;在支座位置底建參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)與支座所在的線亦采用Coupling約束;鋼筋與端部錨固裝置及轉(zhuǎn)向塊間采用Embedded約束;絲扣擰張橫向張拉裝置與梁采用Tie約束;梁頂墊片及端錨裝置與梁體采用Standard接觸。在Step1，采用升溫法施加預(yù)應(yīng)力;在Step2，在三分點(diǎn)施加大小均為16 kN集中荷載。

2．5單元類型

在綜合考慮計(jì)算時(shí)間及精度的基礎(chǔ)上，將模型網(wǎng)格大小取20 mm。除鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)空間線性梁?jiǎn)卧?B31)外，其他部件均采用八節(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)。

3　結(jié)果及分析

3．1應(yīng)力云圖

預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的應(yīng)力云圖見圖2。因膠合竹木梁的應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼絲應(yīng)力，導(dǎo)致在整體應(yīng)力云圖上無(wú)法清晰體現(xiàn)膠合竹木梁及預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力分布，因此分別給出膠合木梁及預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力云圖。由圖可知，膠合竹木梁在三分點(diǎn)及端部錨固裝置附近應(yīng)力較大，易發(fā)生破壞。

The application of static elastic-plastic analysis in frame structures

Tang XiaogangLv Dongchun
(Anhui Huadian Engineering Consultaing＆Design Co．，Ltd，Hefei 230022，China)

Abstract:This paper elaborated the basic principle of static elastic-plastic analysis method，taking to a frame structure as an example，using the finite element analysis software ETABS，this paper made static elastic-plastic analysis on this structure，evaluated the structure seismic performance，pointed out that the static elastic-plastic analysis method had good engineering practical value and broad development prospects． Applying ABAQUS finite element program，the paper establishes prestressed gluing bamboo beam analysis model，explores factors influencing flexural performance of prestressed gluing bamboo beam from two aspects of prestressed value and prestressed steel quantity，and finally points out that rationally increasing prestressed steel quantity will strengthen its bending-resisting rigidity．In addition，the prestressed value has little impact upon its bending-resisting rigidity．

Key words:static elastic-plastic analysis，capacity spectrum method，frame structure prestress，gluing bamboo beam，flexural performance，finite element

圖2　預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁應(yīng)力云圖

3．2預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量的影響

以膠合竹木梁跨中某點(diǎn)的位移為x軸，以三分點(diǎn)處集中荷載為y軸，繪制出各梁的荷載—撓度關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知，對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值保持不變時(shí)，隨預(yù)應(yīng)力鋼絲根數(shù)的增加，其荷載—撓度關(guān)系曲線的斜率增大，梁在相同撓度下所需荷載增加。即預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量在合理范圍內(nèi)的增加，將使預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的抗彎剛度增強(qiáng)。

圖3　梁的荷載—撓度關(guān)系曲線（一）

3．3預(yù)應(yīng)力值的影響

保持預(yù)應(yīng)力鋼絲根數(shù)不變時(shí)，各組梁的荷載—撓度曲線如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絲根數(shù)保持不變時(shí)，隨預(yù)應(yīng)力值的增加，其荷載—撓度關(guān)系曲線基本重合。即預(yù)應(yīng)力值對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的剛度影響不大。

4　結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)采用兩點(diǎn)張弦及端部錨固裝置的預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁，在三分點(diǎn)及端錨裝置附近應(yīng)力較大，易發(fā)生破壞。2)依據(jù)理論分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁，當(dāng)預(yù)應(yīng)力值保持不變時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量在合理范圍內(nèi)增加，將使預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁的抗彎剛度增強(qiáng)。3)依據(jù)理論分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合竹木梁，預(yù)應(yīng)力值的改變對(duì)其剛度影響不大。4)上述結(jié)論僅來(lái)自理論分析，尚有待于實(shí)際試驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

［1］蔣身學(xué)，朱一辛，張齊生．竹木復(fù)合層積材結(jié)構(gòu)及其性能［J］．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，26(6):10-12．

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［7］左宏亮，楊穎偉，郭楠，等．預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁受彎性能有限元分析［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(3):390-394．

Study on flexural performance of prestressed gluing bamboo beam on the basis of ABAQUS★

Liu XiuxiaZhang PingyangGuo Nan
(College of Civil Engineering，Northeast University of Forestry，Harbin 150040，China)

作者簡(jiǎn)介:劉秀俠(1991-)，女，在讀碩士;張平陽(yáng)(1992-)，女，在讀碩士;郭楠(1978-)，男，副教授

收稿日期:2015-10-25

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0048-02

中圖分類號(hào):TU366

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A