鋼—竹組合柱有限元分析★

張懿婷 盧 佳 于皓晨 馮耀恒 王帥可

(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·

鋼—竹組合柱有限元分析★

張懿婷 盧 佳 于皓晨 馮耀恒 王帥可

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

運用 ABAQUS有限元分析軟件，建立了鋼—竹組合柱的有限元計算模型，考慮幾何非線性和材料非線性，分析了鋼—竹組合柱的力學(xué)性能，探討了不同鋼板厚度對組合結(jié)構(gòu)承載力的影響，為鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的深入研究提供參考。

鋼—竹組合柱，承載力，有限元分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對衣食住行的標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高。近年來，建筑行業(yè)越發(fā)受到重視，建筑面積不斷擴(kuò)大。然而，建筑能耗也隨之增加，水泥、鋼筋等建筑材料都是由石料、礦產(chǎn)等不可再生能源提煉出來的，而這些燃料總儲量有限，并非取之不盡。這對現(xiàn)代建筑提出了更高要求。因此，綠色、可再生的新型建筑材料在建材行業(yè)層出不窮[1，2]。

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)是由冷彎薄壁型鋼和重組竹經(jīng)過膠粘釘接組合而成。鋼材強(qiáng)度高，抗拉性能好，冷彎薄壁型鋼是將鋼板在冷狀態(tài)下彎曲而成的成品鋼材，截面形式可人工定義，較之傳統(tǒng)鋼材更加的輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)[3]；重組竹是對竹子進(jìn)行重新組織并加以強(qiáng)化后得到的新型材料，不僅韌性更好，而且其抗壓、抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于普通木材、竹材。組合結(jié)構(gòu)不僅可以充分發(fā)揮鋼、竹兩種材料各自的優(yōu)點，還能互相補(bǔ)益，很大程度上解決鋼、竹材料本身在使用期間存在的應(yīng)力缺陷。兩種材料的有機(jī)結(jié)合，讓組合結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)一步提高，并且突破了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中存在的跨度小、高度低等問題，能夠滿足現(xiàn)代建筑對材料提出的更高需求，同時也使得鋼結(jié)構(gòu)建筑在穩(wěn)定性和承載力方面得到提高，滿足了現(xiàn)代社會對建筑業(yè)提出的綠色、可持續(xù)發(fā)展要求[4,5]。

課題組人員通過運用有限元軟件ABAQUS對鋼—竹組合柱進(jìn)行有限元分析，將建模結(jié)果與實驗結(jié)果對比得出結(jié)論，并對影響承載力的因素進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，為后續(xù)研究工作提供參考。

1 鋼—竹組合柱有限元分析

1.1 鋼—竹組合柱有限元模型建立

材料的本構(gòu)關(guān)系是指材料的物理關(guān)系，是材料的宏觀力學(xué)性能的綜合反映,是內(nèi)部的微觀機(jī)理的宏觀表現(xiàn)，可以反映材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在分析結(jié)構(gòu)的過程中必不可少。將鋼材、重組竹都假定為理想彈塑性材料，本文在選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，運用ABAQUS對組合柱軸壓進(jìn)行分析，過程分為三個階段：前處理、分析階段以及后處理，具體分析步驟為：1)創(chuàng)建幾何部件，組合柱截面如圖1所示、有限元模型如圖2所示；2)定義本構(gòu)關(guān)系，如圖3，圖4所示，創(chuàng)建截面屬性，再將截面屬性賦予已創(chuàng)建的部件中；3)裝配成體；4)設(shè)置分析步；5)定義接觸及耦合作用點；6)定義荷載與約束條件；7)劃分網(wǎng)格；8)設(shè)置監(jiān)控點；9)提交并運行作業(yè)；10)提出分析結(jié)果(變形圖、云圖)，繪荷載—位移曲線圖[6]。

1.2 鋼—竹組合柱有限元結(jié)果分析

通過對鋼—竹組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到了應(yīng)力云圖，如圖5所示。荷載—位移曲線是將試件受到的總荷載與荷載方向產(chǎn)生的位移之間的對應(yīng)關(guān)系，更加宏觀的反映出柱子的應(yīng)力應(yīng)變等特征。課題組將由組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗得到的數(shù)據(jù)繪成曲線，與有限元分析得到的數(shù)據(jù)繪成的曲線相對比，制成圖6。從結(jié)果來看，初期荷載位移曲線接近于直線，認(rèn)為組合柱處于彈性工作階段。隨著荷載繼續(xù)增加，二者先后進(jìn)入屈服階段，關(guān)系呈非線性?？傮w來看，兩者曲線相差無幾，走勢也幾乎相同，吻合度比較高，所以綜合來看，上述建模方法可行。

2 鋼板厚度對承載力影響分析

通過ABAQUS有限元模擬得到了1.5 mm，2.4 mm和3 mm厚鋼板的冷彎薄壁型鋼—重組竹組合結(jié)構(gòu)的承載力，并對試件的承載力進(jìn)行了理論計算。

將試件承載力的ABAQUS模擬值與理論計算值進(jìn)行了對比分析，如表1所示。

表1 承載力對比

冷彎薄壁型鋼厚度/mm1.52.43.0有限元結(jié)果/kN254.5341.8399.2理論計算結(jié)果/kN241.2324.3378.9誤差/%5.505.395.36

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，有限元分析得到的承載力大于理論計算值，這是因為有限元分析時定義的材料材質(zhì)均勻，軟件在計算時能更好的考慮材料間的相互作用及協(xié)同工作的特點，而實際試驗時并不是理想狀態(tài)，有缺陷和誤差，所以實際測量出來的承載力偏低。但二者之間的偏差均保持在5%左右，所以分析結(jié)果較為可靠。

根據(jù)對組合結(jié)構(gòu)承載力計算表格的橫向?qū)Ρ确治?，可以得出結(jié)論，在其他因素相同的情況下，鋼板厚度對組合柱的承載力有著明顯的影響，隨著冷彎薄壁型鋼板厚度的不斷加大，組合結(jié)構(gòu)的承載力不斷提高。

3 結(jié)語

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)是一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式，冷彎薄壁型

鋼—重組竹組合結(jié)構(gòu)不僅性能優(yōu)良，而且更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。本文通過有限元軟件ABAQUS建立模型來研究不同鋼板厚度對組合結(jié)構(gòu)承載力的影響，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

1)對組合結(jié)構(gòu)施加荷載過程中，組合結(jié)構(gòu)經(jīng)歷彈性階段和彈塑性階段，構(gòu)件在彈性階段吻合較好，說明建立的ABAQUS模型準(zhǔn)確可行。2)ABAQUS有限元模擬的承載力數(shù)值要高于理論計算值，這是因為有限元軟件在計算時充分考慮了各材料之間協(xié)同工作。3)通過對比試驗數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，冷彎薄壁型鋼—重組竹組合結(jié)構(gòu)的承載力可以由理論計算得到，計算得到的數(shù)據(jù)與模擬分析的數(shù)據(jù)很接近，兩者得到的曲線吻合較好，平均誤差約為5%，說明基于理論分析的組合結(jié)構(gòu)承載力性能評價結(jié)果可靠。

[1] 張秀華，鄂 婧，李玉順，等.重組竹抗壓和抗彎力學(xué)性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2016，46(1)：7-12.

[2] 張秀華，鄂 婧，盧 佳，等.鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與前景分析[J].山西建筑，2015，41(25)：30-31.

[3] 曲鵬遠(yuǎn)，劉永娟，孫長江，等.冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用與研究現(xiàn)況[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2008(12)：60-61.

[4] 李玉順，張家亮.鋼竹組合構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2016，46(1)：1-6,19.

[5] 韓添石，李玉順，張王麗,等.薄壁型鋼—竹膠板組合樓板抗彎性能研究[J].森林工程，2010,26(3):54-57.

[6] 潘福婷，王艷華，吳 京.鋼木組合竹的有限元分析及其設(shè)計[J].陰山學(xué)刊(自然科學(xué)版)，2016，30(1):26-29.

Finite element analysis of steel-bamboo composite column★

Zhang Yiting Lu Jia Yu Haochen Feng Yaoheng Wang Shuaike

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The finite element calculation model of the steel and bamboo composite column was established by the finite element analysis software ABAQUS, and geometric nonlinear and material nonlinear was considered. The mechanical properties of the steel and bamboo composite column were analyzed. It explores the impact of different steel board thinkness upon composite structure bearing capability. It can provide the reference for the further research of the steal and bamboo composite structure.

steel-bamboo composite column, bearing capacity, finite element analysis

1009-6825(2016)12-0029-02

2016-02-20★：國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目(項目編號：201510225055)

張懿婷(1995- )，女，在讀本科生； 盧 佳(1995- )，女，在讀本科生； 于皓晨(1995- )，男，在讀本科生； 馮耀恒(1993- )，男，在讀本科生； 王帥可(1994- )，男，在讀本科生

TU398

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