新型鋼木組合樓蓋抗彎性能有限元分析

唐雯佳 張如玉 李國(guó)東

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

0 引言

近年來(lái)，鋼木組合結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)，作為一種新型組合結(jié)構(gòu)體系，其意義在于同時(shí)發(fā)揮鋼材與木材的優(yōu)點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短[1]。新型鋼木組合樓蓋是由冷彎型鋼—膠合木組合梁通過(guò)自攻螺釘與OSB板連接成整體共同受力、協(xié)調(diào)變形的一種組合結(jié)構(gòu)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼木組合結(jié)構(gòu)做了大量的研究，馬仲[2]對(duì)鋼木組合樓蓋在水平荷載下的轉(zhuǎn)動(dòng)性能進(jìn)行了研究，得出了原本為半剛性的樓板因?yàn)橛辛四静牡膫?cè)向加固使得樓板的剛性進(jìn)一步提高，各項(xiàng)受力能力協(xié)調(diào)改善的結(jié)論。潘福婷[3]對(duì)鋼木組合構(gòu)件的受力性能進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的鋼木組合構(gòu)件主要是以鋼材為主要受力構(gòu)件，木板與鋼梁用自攻螺釘相連接，通過(guò)有限元分析，得出木材能夠較好的提高鋼材的結(jié)論。羅佳鈺[4]提出了一種新型的薄壁型鋼—膠合木組合梁并對(duì)其抗彎性能進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)薄壁型鋼—膠合木組合梁與普通的膠合木梁相比，受彎極限承載力和跨中撓度變形明顯提高，進(jìn)而證明薄壁型鋼—膠合木組合梁有良好的抗彎性能。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼木組合的抗彎承載力研究較少。

為了研究冷彎型鋼規(guī)格尺寸對(duì)冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的抗彎承載力的影響，采用考慮材料、幾何以及接觸非線性的ABAQUS有限元模型對(duì)試件的抗彎性能進(jìn)行了模擬分析。

1 有限元模型的建立

為了研究冷彎型鋼的規(guī)格尺寸對(duì)鋼木組合樓蓋的抗彎承載力的影響，設(shè)計(jì)3組模型進(jìn)行在單調(diào)靜載下的受力模擬分析。

冷彎型鋼選用C80×50×20×1.5,C80×50×20×2,C100×50×20×1.5三種規(guī)格尺寸；膠合木材質(zhì)為云杉，尺寸為2 400 mm×100 mm×50 mm；OSB為規(guī)格材，尺寸為2 400 mm×610 mm×18 mm。其中，模型LG1冷彎型鋼選用C80×50×20×2；模型LG2冷彎型鋼選用C80×50×20×2.5；模型LG3冷彎型鋼選用C100×50×20×2.5。

1.1 冷彎型鋼—膠合木組合梁

冷彎型鋼—膠合木組合梁是由兩個(gè)單肢的C型鋼通過(guò)自攻螺釘?shù)倪B接方式拼合成工字形截面梁，再通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘鋼膠與異性膠合木梁組成，保證相對(duì)的協(xié)調(diào)變形。在受力過(guò)程中，上部膠合木主要受壓，下部冷彎型鋼主要受拉。鋼木組合梁的截面構(gòu)造見(jiàn)圖1。

1.2 鋼木組合樓蓋

通過(guò)自攻自鉆螺釘裝配一塊OSB板，構(gòu)成新型的鋼木組合樓蓋，因OSB板屬于規(guī)格材，采用一塊2 400 mm×610 mm×18 mm具有示范及推廣的意義。鋼木組合樓蓋模型圖見(jiàn)圖2。

2 材料屬性的定義

根據(jù)材性試驗(yàn)設(shè)置材料屬性，冷彎型鋼屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比為0.3。假定膠合木為正交各向異性材料，參考課題組做過(guò)的材性試驗(yàn)確定膠合木的材料屬性，具體材料屬性見(jiàn)表1。

表1 膠合木材料參數(shù) MPa

18 mm厚的OSB板的材性取值參考文獻(xiàn)[4]，具體材料參數(shù)見(jiàn)表2。假定OSB板為各向同性材料，板材的鋪板方式?jīng)Q定了其橫向受力，因此有限元數(shù)值模擬時(shí)按表2取平行縱向的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)。

表2 OSB板材料參數(shù)

在建立冷彎型鋼—膠合木組合梁有限元模型時(shí)，為了方便模型的分析，同時(shí)能更好的體現(xiàn)模型的受力情況，需要對(duì)模型中的結(jié)構(gòu)構(gòu)建進(jìn)行如下近似假定：

1)不考慮各個(gè)接觸面之間的滑移。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋模型中，各種材料之間的相互接觸應(yīng)考慮粘接和滑移效應(yīng)，這樣才能準(zhǔn)確模擬。但是冷彎型鋼和膠合木之間以及冷彎型鋼和冷彎型鋼之間的細(xì)部變化對(duì)整個(gè)構(gòu)件的影響不大，所以不考慮各個(gè)接觸面之間的滑移效應(yīng)。

2)不考慮自攻螺釘?shù)钠茐摹?/p>

因兩片冷彎型鋼之間采用自攻螺釘連接，因自攻螺釘連接處的冷彎型鋼結(jié)合良好。在建模時(shí)為了簡(jiǎn)化模型將自攻螺釘連接位置采用“Tie”的連接方式進(jìn)行模擬，不考慮自攻螺釘?shù)牧W(xué)性能。

為獲得鋼木組合樓蓋的抗彎力學(xué)性能，對(duì)各個(gè)模型采用相同的四分點(diǎn)加載方式，即在鋼木組合樓蓋的四分點(diǎn)處同時(shí)施加大小相同的外部集中力F，直至試件達(dá)到極限狀態(tài)為止。各個(gè)模型的邊界條件相同，均為一端簡(jiǎn)支，一端固定的簡(jiǎn)支板，在一端約束X，Y，Z三個(gè)方向的位移，另一端約束X和Y兩個(gè)方向的位移，其中X方向?yàn)檠刂撃窘M合樓蓋寬度的方向，Y方向?yàn)榻M合樓蓋高度方向，Z方向?yàn)榻M合樓蓋試件的長(zhǎng)度方向。

3 結(jié)果及分析

進(jìn)行有限元分析時(shí)，以模型中材料達(dá)到極限應(yīng)變作為組合樓蓋達(dá)到承載力極限狀態(tài)的標(biāo)志。通過(guò)分析計(jì)算獲得所有鋼木組合樓蓋模型加載的過(guò)程狀態(tài)及極限承載狀態(tài)。圖3為模型LG3經(jīng)ABAQUS分析后所得應(yīng)力分布狀況。

模型LG1當(dāng)四分點(diǎn)加載F達(dá)到70.40 kN時(shí)，冷彎型鋼下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)力，F(xiàn)達(dá)到138.60 kN時(shí)，膠合木梁上翼緣達(dá)到極限應(yīng)變，此時(shí)構(gòu)件的最大跨中撓度為54.80 mm。模型LG2當(dāng)四分點(diǎn)加載F達(dá)到88.60 kN時(shí)，冷彎型鋼下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)力，F(xiàn)達(dá)到150.70 kN時(shí)，膠合木梁上翼緣達(dá)到極限應(yīng)變，此時(shí)構(gòu)件的最大跨中撓度為55.20 mm。模型LG3當(dāng)四分點(diǎn)加載F達(dá)到110.50 kN時(shí)，冷彎型鋼下翼緣達(dá)到屈服應(yīng)力，F(xiàn)達(dá)到198.80 kN時(shí)，膠合木梁上翼緣達(dá)到極限應(yīng)變，此時(shí)構(gòu)件的最大跨中撓度為62.10 mm。

由數(shù)值模型模擬分析后可知，冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的極限荷載隨鋼材的厚度的增加而增大，隨著鋼材腹板高度的增加而增大。從加載過(guò)程中的應(yīng)力變化情況分析，當(dāng)組合樓蓋進(jìn)入塑性工作狀態(tài)時(shí)冷彎型鋼的下翼緣首先受拉屈服，鋼的上翼緣所受壓應(yīng)力增大顯著，在一定程度上減少了膠合木中壓應(yīng)力的增加幅度，當(dāng)膠合木上翼緣達(dá)到極限應(yīng)變的同時(shí)OSB板被壓壞，由此可知這種新型的鋼木組合樓蓋具有較好的承載力和延性，均獲得極大改善。

三組模型的荷載—跨中撓度曲線見(jiàn)圖4，在彈性階段，鋼梁沒(méi)有屈服之前，荷載撓度曲線基本呈線性變化，C型鋼腹板高度增加20 mm，鋼木組合樓蓋抗彎承載能力顯著提高31.9%，跨中撓度變形提高12.5%；C型鋼厚度增加0.5 mm，鋼木組合樓板抗彎承載力提高8.73%，跨中撓度變形提高0.73%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件可以得出，新型鋼木組合樓蓋有很好的抗彎承載能力，具有良好的示范推廣意義。其中，增加冷彎型鋼的腹板高度和厚度可以提高組合樓蓋的承載能力，C型鋼腹板高度增加20 mm，鋼木組合樓蓋抗彎承載能力顯著提高31.9%，跨中撓度變形提高12.5%；C型鋼厚度增加0.5 mm，鋼木組合樓板抗彎承載力提高8.73%，跨中撓度變形提高0.73%。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋接近承載能力極限狀態(tài)時(shí)，下部的鋼構(gòu)件率先屈服，而后上部的膠合木和OSB板受壓破壞，組合樓蓋破壞時(shí)具有明顯的塑性變性特征，組合樓蓋破壞時(shí)延性較好。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的承載能力與變形性能與組合樓蓋的連接形式有關(guān)。關(guān)于OSB板與冷彎型鋼—膠合木組合梁的連接采用螺栓還是自攻螺釘、螺栓或自攻螺釘?shù)拈g距等參數(shù)改變對(duì)組合樓蓋承載性能影響的研究有待深入。