帶蒙皮組合木結(jié)構(gòu)的面外屈曲分析

許詩(shī)霞 顏全勝 黃仕平 崔楠楠

摘 要：由于具備良好的抗震性能，木結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景。但木結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)還鮮有研究。本文首次分析蒙皮效應(yīng)對(duì)木結(jié)構(gòu)屈曲荷載的影響，以一帶蒙皮木組合板為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行面外非線(xiàn)性屈曲分析，并與無(wú)蒙皮木組合板的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值計(jì)算表明，帶蒙皮組合板對(duì)屈曲荷載在不同的邊界條件下均有提高作用。

關(guān)鍵詞：蒙皮效應(yīng)；木結(jié)構(gòu)；抗震；非線(xiàn)性屈曲分析；屈曲荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.43

Abstract Because of well anti-seismic performance， wood structure has wide application prospect. On the other hand， in China the skin effect of wood structure is still relatively blank. This paper firstly analyses the influence of skin effect on the buckling load of wood structure. Based on a combinated wood structure with skin， finite element analysis software ANSYS is used for surface buckling analysis of this wood structure. Whatever， its result is compared to those of non-skin combinated wood structure. Numerical calculations show that， the combinated wood structure with skin improves the buckling load under different boundary conditions.

Keywords： skin effect； wood structure； anti-seismic； nolinear buckling analysis； buckling load

引言

2008年5月四川汶川8.0級(jí)大地震、2010年4月青海玉樹(shù)7.1級(jí)大地震、2013年4月四川蘆山7.0級(jí)大地震.....地震造成了嚴(yán)重的人員傷亡和物質(zhì)財(cái)產(chǎn)損失，給人們和國(guó)家?guī)?lái)巨大的傷害。木結(jié)構(gòu)由于自身重量輕，地震時(shí)吸收的地震力也相對(duì)較少，具有良好的抗震性能，而其力學(xué)性能，特別是屈曲性能，在抗震中是極其重要的。

蒙皮效應(yīng)是指在建筑物的表面覆蓋材料（屋面板和墻板）利用本身的剛度和強(qiáng)度對(duì)建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用。蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕，蒙皮效應(yīng)應(yīng)用于抗震上將具有很大優(yōu)勢(shì)。而在我國(guó)，木結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)一直被忽略，相應(yīng)的研究還相對(duì)空白。

本文以一帶蒙皮木組合板為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行面外非線(xiàn)性屈曲分析，并與無(wú)蒙皮木組合板的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。此分析中，只考慮幾何非線(xiàn)性的因素，忽略材料非線(xiàn)性和初始缺陷的影響。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)對(duì)屈曲荷載在不同的連接方式下均有提高作用，為蒙皮效應(yīng)在木結(jié)構(gòu)抗震上的應(yīng)用提供了一定的參考。

1.構(gòu)件和有限元模型

1.1構(gòu)件介紹

木結(jié)構(gòu)組合板如下圖1所示。結(jié)構(gòu)尺寸為1.8×1.22m，由9根1.22×0.05×0.02m的橫梁和3根1.8×0.04×0.025m的縱梁組成。輕質(zhì)泡沫板填充于上下六根縱梁之間。上層橫梁之上覆蓋3mm厚的蒙皮木質(zhì)板，下層橫梁之下先覆蓋9mm厚的石膏板，再覆蓋3mm厚的蒙皮木質(zhì)板。蒙皮板和縱梁、橫梁之間采用鉚釘連接。

1.2有限元模型

為研究蒙皮效應(yīng)對(duì)木結(jié)構(gòu)屈曲性能的影響，所分析的構(gòu)件分為兩種結(jié)構(gòu)，第一種如上所述的標(biāo)準(zhǔn)木組合板，稱(chēng)作帶蒙皮木組合板，另一種為去掉蒙皮板和石膏板之后的主體結(jié)構(gòu)（只有橫梁、縱梁和填充泡沫），稱(chēng)作無(wú)蒙皮木組合板。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS12.1對(duì)兩種構(gòu)件進(jìn)行非線(xiàn)性屈曲分析。蒙皮板和縱橫梁均采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45模擬。由于泡沫板和石膏板的彈性模量遠(yuǎn)小于木材，因此忽略二者的影響。蒙皮板和縱橫梁主要在縱紋方向受力，將其等效為各向同性的勻質(zhì)材料，并參考文獻(xiàn)[1]，順紋方向的彈性模量取10000MPa，泊松比取0.03。采用矩陣單元MATRIX27模擬橫梁與蒙皮板的鉚釘連接，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，鉚釘連接的豎向剛度取1000KN/m，橫向剛度取200KN/m。有限元模型如下圖2所示。

屈曲分析類(lèi)型為面外非線(xiàn)性屈曲分析，約束和荷載都施加在構(gòu)件厚度方向的縱側(cè)面，有剛接和鉸接兩種邊界條件，特征值屈曲分析時(shí)，施加1KN的荷載，非線(xiàn)性屈曲分析時(shí)，施加相應(yīng)的一階特征值屈曲荷載。即如下圖1所示，鉸接約束時(shí)，上下端面均鉸接，而荷載施加于其中一端面；剛接約束時(shí)，荷載和約束各施加于其中一端面。

2.數(shù)值結(jié)果與討論

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS分別對(duì)兩種邊界條件下的兩種構(gòu)件進(jìn)行面外特征值屈曲分析和非線(xiàn)性屈曲分析，得到對(duì)應(yīng)的特征值屈曲荷載和非線(xiàn)性屈曲荷載，如下表1所示。非線(xiàn)性屈曲分析中的力-位移曲線(xiàn)如下圖3所示。

由ANSYS分析所得的結(jié)果可知，蒙皮效應(yīng)對(duì)木結(jié)構(gòu)的屈曲性能有一定的貢獻(xiàn)。其中，對(duì)于剛接木組合板結(jié)構(gòu)，蒙皮效應(yīng)能提高木結(jié)構(gòu)12.7%的特征值屈曲荷載和18.2%的非線(xiàn)性屈曲荷載；對(duì)于鉸接木組合板結(jié)構(gòu)，蒙皮效應(yīng)能提高其15.5%的特征值屈曲荷載和3.7%的非線(xiàn)性屈曲荷載。

4.結(jié)論

本文通過(guò)有限元軟件ANSYS建立了無(wú)蒙皮木組合板和帶蒙皮木組合板結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，

分別在剛接和鉸接邊界條件下，對(duì)其屈曲性能進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)能提高木結(jié)構(gòu)的屈曲性能，使其具有更好的抗震性，為蒙皮效應(yīng)在木結(jié)構(gòu)抗震上的應(yīng)用提供了一定的參考。

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