預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的有限元分析★

郭 楠 張平陽 左宏亮

(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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預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的有限元分析★

郭 楠 張平陽 左宏亮

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

采用ABAQUS軟件，建立了有限元分析模型，探求力臂對于膠合木梁受彎性能的影響，得到隨著力臂的增加膠合木梁的極限承載力隨之增加的結(jié)果，有助于優(yōu)化后續(xù)的試驗。

膠合木梁，受彎性能，ABAQUS，力臂

1 概述

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中指出，要重點研究開發(fā)高效、低成本、大規(guī)模農(nóng)林生物質(zhì)的培育、收集與轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。預(yù)應(yīng)力膠合木梁的研究、示范與推廣，屬于對我國農(nóng)林生物質(zhì)材料的高效利用，可以引導(dǎo)建筑行業(yè)向更高效、健康的方向發(fā)展[1-4]。對于膠合木梁受彎性能研究，一般包括兩個方面：實體試驗和仿真模擬。實體試驗的進(jìn)行易受到環(huán)境、設(shè)備、構(gòu)件數(shù)量的影響，具有局限性，很難得到精確的試驗結(jié)果[5-7]，因此本文通過ABAQUS分析軟件進(jìn)行建模，力求最大程度的還原實體試驗中構(gòu)件的受力情況，探求力臂大小對預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能的影響。

2 模型建立

2.1 部件建立

建立ABAQUS模型，首先要建立組成模型的若干部件。正確的建立和簡化部件，不僅可以充分描述所分析的物理模型，而且可以大大減少因網(wǎng)格劃分異常導(dǎo)致的計算錯誤，獲取構(gòu)件接近真實的受力狀態(tài)。在本次建模中，主要模擬五大部件：木梁、預(yù)應(yīng)力鋼絲、端部錨固裝置、鋼墊板以及轉(zhuǎn)向塊。

2.2 定義材料

部件尺寸確定后，需要定義材料的本構(gòu)關(guān)系和截面屬性。由木棱柱體抗壓試驗可得，膠合木為彈塑性材料，當(dāng)其處于彈性階段時，通過內(nèi)部任意一點都存在三個相互垂直的對稱面，表現(xiàn)為正交各向異性。其具體值將根據(jù)GB/T 50708—2012膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程及木棱柱體抗壓試驗可得。1570級低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量按照GB/T 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取值,為2.0×1011N/m2，屈服應(yīng)力為1.1×109N/mm2。鐵靴、鋼墊板以及轉(zhuǎn)向塊并不是本次建模研究的主要部件，故不需考慮在受力時的變形情況。因此，統(tǒng)一取其質(zhì)量為7 800 kg、彈性模量為2.0×1012N/m2以及泊松比為0.3。

2.3 部件裝配

通過前面的兩個步驟，每個部件不僅具有幾何特征，還具有了材料屬性。但此時，部件是單獨存在于各自的界面中的，需要通過創(chuàng)建實體將散落部件進(jìn)行拼裝，形成一個整體，因篇幅問題，僅截取左側(cè)，如圖1所示。

為了探究不同力臂下預(yù)應(yīng)力膠合木梁受彎性能，共建立以下2組模型進(jìn)行模擬試驗。

A組通過控制端部錨固位置相同，張弦點位置不同，研究張弦點處力臂對膠合木梁承載能力、破壞形態(tài)、變形性能的影響(見表1)。

B組通過控制張弦位置相同，端部錨固位置不同，研究端部錨固處力臂對膠合木梁承載能力、破壞形態(tài)、變形性能的影響(見表2)。

表1 A組構(gòu)件模型基本信息 mm

表2 B組構(gòu)件模型基本信息 mm

2.4 設(shè)置分析步

分析步分為兩類：Initial Step——初始分析步和Analysis Step——后續(xù)分析步。初始分析步描述的是模型的初始狀態(tài)，因此在本步中可以設(shè)置部件之間的相互關(guān)系以及邊界條件；后續(xù)分析步，描述的是模型隨時間變化的過程，在本次建模中需要兩個后續(xù)分析步：Step-1(預(yù)加力階段)和Step-2(三分點加載階段)。需注意，在分析步的設(shè)置中，初始增量步不宜過大，避免因增量進(jìn)行多次迭代后仍不收斂而導(dǎo)致的分析中斷，本次模擬中，初始增量步設(shè)置為0.01。

2.5 施加荷載

在荷載模塊下可以定義指定條件，包括邊界條件和荷載。

邊界條件：左端限制X，Y，Z軸的移動和X，Y軸的轉(zhuǎn)動；右端限制Y，Z軸的移動和X，Y軸的轉(zhuǎn)動。邊界條件的設(shè)置應(yīng)在Initial Step中進(jìn)行，木梁左端被約束的自由度設(shè)置為U1=U2=U3=UR1=UR2=0；木梁右端被約束的自由度設(shè)置為U2=U3=UR1=UR2=0。

荷載：分為螺栓荷載和集中力荷載。螺栓荷載創(chuàng)建于Step-1中，通過調(diào)節(jié)長度的方法，使螺桿增長，并帶動轉(zhuǎn)向塊向下移動，完成鋼絲張拉，對梁施加預(yù)應(yīng)力；集中力荷載創(chuàng)建于Step-2中，通過在梁頂三分點正上方的參考點RP-1，RP-2施加集中力，來模擬實際試驗中，由千斤頂加壓并通過分配梁將力一分為二的加載情況。

2.6 劃分網(wǎng)格

有限元的分析，即為一個化繁為簡的過程，將無限自由度的模型分解成若干個具有有限自由度的單元，將連續(xù)模型轉(zhuǎn)化為離散型模型來分析。依據(jù)這樣的理論，劃分網(wǎng)格數(shù)量越多，最終得到的模擬效果也就越好。但是為了減少計算時間，一般我們將布置網(wǎng)格種子密度控制在0.02 m左右。在網(wǎng)格劃分之后，應(yīng)選取相應(yīng)的網(wǎng)格類型。

3 結(jié)果分析

3.1 變形圖

為了更好的展現(xiàn)模型的效果，需建立兩個工作任務(wù)，工作任務(wù)一：不進(jìn)行Step-2，即僅施加預(yù)應(yīng)力并提交作業(yè)任務(wù)；工作任務(wù)二：進(jìn)行模型的完全分析，得到破壞時木梁與預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力分布情況，現(xiàn)以SPF-1.1為例，展示分別完成施加預(yù)應(yīng)力階段和集中力加載完成后的模型的變形圖(見圖2)。

3.2 變量影響分析

由圖3a)可得，施加相同預(yù)應(yīng)力時，隨著三分點力臂的增加，其反拱值略有增大，即木梁由于施加上部荷載所產(chǎn)生的一部分變形值將由反拱值抵消，使梁整體撓度值有所減小。觀察其荷載—撓度曲線走勢，隨著三分點力臂的增加，曲線的斜率有所增大，即提高膠合木梁的抗彎剛度。

由圖3b)可得，施加相同的預(yù)應(yīng)力時，隨著端部力臂的增大，其反拱值變化不大。觀察荷載—撓度曲線走勢，隨著端部力臂的增大，曲線斜率有所增大，略微提高了膠合木梁的抗彎剛度。

3.3 建議力臂值

根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果可得：端部力臂不變，三分點力臂越大，膠合木梁剛度、承載能力以及變形能力都有所提高；三分點力臂不變，端部力臂越大，膠合木梁剛度、承載力以及變形能力皆略有提高。因此，在選擇最宜力臂時，須要盡可能的增大三分點力臂，適量增大端部力臂。

就本試驗而言，受到端部錨固裝置“鐵靴”的影響，三分點力臂位置距梁底210 mm為宜，既能保證三分點力臂有效增加膠合木梁的剛度，又可以防止因螺桿過長而導(dǎo)致的瞬間失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)語

由有限元分析可得，三分點力臂的增加，能夠提高膠合木梁的承載能力、剛度以及變形能力；端部力臂的增加，將會略微提高膠合木梁的承載能力、剛度以及變形能力。

就本試驗而言，受到端部錨固裝置“鐵靴”的影響，三分點力臂位置距梁底210 mm為宜。

[1] 趙 越，楊春梅，齊英杰，等.新中國成立后木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展概況[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012(5):10-12.

[2] 侯桂深.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋的先進(jìn)性及發(fā)展趨勢分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012(23):113-114.

[3] Camille A.Issa,Ziad Kmeid.Advanced wood engineering:glulam beams[J].Original Research Article Construction and Building Materials，2005,19(2):99-106.

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[5] 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(自然科學(xué)版)，2015(3)：166-168.

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[7] 曹 海,黃 龍,吳 婧.鋼筋增強(qiáng)木梁彎曲性能的有限元分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013(2):228-230.

Finite element analysis on bending performance of prestressed glulam member beam★

Guo Nan Zhang Pingyang Zuo Hongliang

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

The paper applies ABAQUS software, establishes finite element analysis model, explores the impact of forced arm upon glulam member beam bending performance, and concludes that: with the arm force increasing, the ultimate bearing capacity of glulam member beam will increase, which will be good for the optimized test.

glulam member beam, bending performance, ABAQUS, arm force

1009-6825(2017)08-0030-03

2017-01-06

★：國家留學(xué)基金委資助項目(201606605044)；國家林業(yè)局林業(yè)項目科學(xué)技術(shù)研究項目(41314401)

郭 楠(1978- )，男，博士，副教授； 張平陽(1992- )，女，在讀碩士； 左宏亮(1964- )，男，博士，教授

TU366

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