帶蒙皮組合木結構的面外屈曲分析

許詩霞 顏全勝 黃仕平 崔楠楠

摘 要：由于具備良好的抗震性能，木結構具有廣闊的應用前景。但木結構的蒙皮效應還鮮有研究。本文首次分析蒙皮效應對木結構屈曲荷載的影響，以一帶蒙皮木組合板為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS對其進行面外非線性屈曲分析，并與無蒙皮木組合板的結果進行對比。數(shù)值計算表明，帶蒙皮組合板對屈曲荷載在不同的邊界條件下均有提高作用。

關鍵詞：蒙皮效應；木結構；抗震；非線性屈曲分析；屈曲荷載

中圖分類號：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級大地震、2010年4月青海玉樹7.1級大地震、2013年4月四川蘆山7.0級大地震.....地震造成了嚴重的人員傷亡和物質財產(chǎn)損失，給人們和國家?guī)砭薮蟮膫?。木結構由于自身重量輕，地震時吸收的地震力也相對較少，具有良好的抗震性能，而其力學性能，特別是屈曲性能，在抗震中是極其重要的。

蒙皮效應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度對建筑物整體剛度的加強作用。蒙皮結構具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕，蒙皮效應應用于抗震上將具有很大優(yōu)勢。而在我國，木結構的蒙皮效應一直被忽略，相應的研究還相對空白。

本文以一帶蒙皮木組合板為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS對其進行面外非線性屈曲分析，并與無蒙皮木組合板的結果進行對比。此分析中，只考慮幾何非線性的因素，忽略材料非線性和初始缺陷的影響。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應對屈曲荷載在不同的連接方式下均有提高作用，為蒙皮效應在木結構抗震上的應用提供了一定的參考。

1.構件和有限元模型

1.1構件介紹

木結構組合板如下圖1所示。結構尺寸為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

為研究蒙皮效應對木結構屈曲性能的影響，所分析的構件分為兩種結構，第一種如上所述的標準木組合板，稱作帶蒙皮木組合板，另一種為去掉蒙皮板和石膏板之后的主體結構（只有橫梁、縱梁和填充泡沫），稱作無蒙皮木組合板。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS12.1對兩種構件進行非線性屈曲分析。蒙皮板和縱橫梁均采用三維八節(jié)點實體單元SOLID45模擬。由于泡沫板和石膏板的彈性模量遠小于木材，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材料，并參考文獻[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[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。

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

2.數(shù)值結果與討論

運用有限元分析軟件ANSYS分別對兩種邊界條件下的兩種構件進行面外特征值屈曲分析和非線性屈曲分析，得到對應的特征值屈曲荷載和非線性屈曲荷載，如下表1所示。非線性屈曲分析中的力-位移曲線如下圖3所示。

由ANSYS分析所得的結果可知，蒙皮效應對木結構的屈曲性能有一定的貢獻。其中，對于剛接木組合板結構，蒙皮效應能提高木結構12.7%的特征值屈曲荷載和18.2%的非線性屈曲荷載；對于鉸接木組合板結構，蒙皮效應能提高其15.5%的特征值屈曲荷載和3.7%的非線性屈曲荷載。

4.結論

本文通過有限元軟件ANSYS建立了無蒙皮木組合板和帶蒙皮木組合板結構實體模型，

分別在剛接和鉸接邊界條件下，對其屈曲性能進行對比。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應能提高木結構的屈曲性能，使其具有更好的抗震性，為蒙皮效應在木結構抗震上的應用提供了一定的參考。

參考文獻

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