基于ABAQUS的膠合竹木梁受彎性能分析

蘇 杰，彭 鵬，李啟航

基于ABAQUS的膠合竹木梁受彎性能分析

蘇 杰，彭 鵬，李啟航

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

文章建立了膠合竹木梁的有限元分析模型，從竹板布置位置、竹板數(shù)量以及梁截面高度等方面分析膠合竹木梁受彎性能，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較分析。結(jié)果表明：膠合竹木梁的承載力較純桉木LVL梁提高了31.4%~133.3%；膠合竹木梁模擬值與試驗(yàn)值吻合較好；膠合竹木梁的抗彎剛度比桉木LVL梁有明顯的提高；相同截面不同竹板布置，梁上下各布置一層竹板剛度要明顯大于梁底布置一層竹板；竹板布置相同截面高度不同，隨著梁截面高度的增大，梁的抗彎剛度增加明顯；梁截面相同，底部竹板布置越多對梁剛度提高不明顯。

單板層積材（LVL）；膠合竹木梁；承載力；抗彎剛度；有限元

引言

單板層積材（Laminated Veneer Lumber，簡稱LVL)是由原木為質(zhì)料旋切或刨切制成單板，經(jīng)干燥、涂膠后，按順紋或大部分順紋組坯，再經(jīng)熱壓膠合而成的新型木質(zhì)復(fù)合材料。單板層積材既保留了傳統(tǒng)的木材特性，又提高了其材料力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，具有結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高、韌性大、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于單板層積材多數(shù)由材料力學(xué)性能較差的速生木材制作而成，所以其力學(xué)性能與鋼筋、混凝土這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用材相比較，剛度和強(qiáng)度值都相對較低，在大、中跨結(jié)構(gòu)中單板層積材的受彎性能可能難以滿足結(jié)構(gòu)用材的需要。

側(cè)壓集成竹是將竹材加工成竹片，經(jīng)過干燥后浸膠，再干燥到要求含水率，然后鋪放在模具中，經(jīng)高溫高壓而成的新型材料。竹材加工技術(shù)的逐漸成熟，尤其是側(cè)壓竹技術(shù)的完善，再加上側(cè)壓竹材料力學(xué)性能較木材力學(xué)性能優(yōu)越，使得側(cè)壓竹材成為越來越受歡迎的建筑材料。

隨著竹材越來越多的應(yīng)用于工程實(shí)際中，用竹材增強(qiáng)膠合木也越來越多，竹材增強(qiáng)膠合木既能提高膠合木的強(qiáng)度，也能提高其剛度。劉偉慶、楊會峰[1~5]等做了多種材料增強(qiáng)膠合木梁的受彎性能研究，得到了增強(qiáng)后的膠合木梁強(qiáng)度比未增強(qiáng)的要大。袁凱宇[6]等人通過對10根碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics，CFRP）增強(qiáng)和未增強(qiáng)的進(jìn)行了抗彎性能研究并進(jìn)行對比分析，增強(qiáng)后的較未增強(qiáng)的抗彎極限承載力平均提高了17.8%，并提出了精度較高的極限承載力計(jì)算公式。柳紅[7]等對42根集成竹板增強(qiáng)進(jìn)行了受彎性能研究，結(jié)果表明，集成竹板增強(qiáng)梁的抗彎極限承載力較未增強(qiáng)的抗彎極限承載力提高了10%~50%，并基于材料的非線性推導(dǎo)了適用組合梁的極限承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。冷予冰[8]以重組竹、膠合竹和云杉為層板材料，設(shè)計(jì)制作10組共計(jì)30根由六層層板膠合成的膠合竹木梁試件，并對其進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)，膠合竹木梁的承載能力較純云杉膠合木梁有明顯的提高。鐘永[9]進(jìn)行了342個(gè)桉木試件的抗壓試驗(yàn)，分析了試件紋理角度、膠層角度對其抗壓強(qiáng)度、彈性模量和破壞模式的影響。

在我國天然林資源匱乏的背景下，可充分利用速生林資源和豐富的竹材資源，生產(chǎn)高性能的現(xiàn)代竹木結(jié)構(gòu)構(gòu)件。根據(jù)單板層積材和重組竹的力學(xué)特性，將單板層積材置于梁中間，重組竹置于梁外側(cè)作為受拉層合受壓層，令其力學(xué)性能大大提高，以應(yīng)用于工程實(shí)際。因此，本文開展重組竹、桉木單板層積材為層板的膠合竹木梁受彎性能試驗(yàn)，利用ABAQUS有限元分析軟件對膠合竹木梁進(jìn)行模擬分析，研究竹板布置位置、竹板數(shù)量和截面高度對膠合竹木梁受彎性能的影響，并將已做試件梁測試結(jié)果與有限元模型對比分析，論證有限元模型的可行性。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 模型及加載方案設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了8根梁構(gòu)件模型，通過改變竹板布置位置、竹板布置數(shù)量以及梁截面高度來研究膠合竹木梁的抗彎性能，分組見表1。梁跨為1860 mm，截面分別為50 mm×100 mm、50 mm×120 mm，厚度均采用20 mm的單板進(jìn)行膠合，本模型采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行模擬，即在梁跨三分之一點(diǎn)處施加大小、方向都相同的荷載，模型梁截面見圖1（其中綠色陰影部分為側(cè)壓竹，每一層厚度為20 mm，其余為桉木LVL）。有限元模型見圖2。

表1 模型試件設(shè)計(jì)

圖1 設(shè)計(jì)模型

圖2 梁有限元模型

1.2 材料屬性設(shè)置

考慮到桉木的徑向和切向力學(xué)性能相差不大，都明顯低于縱向的力學(xué)性能，把徑向和切向假設(shè)為具有相同力學(xué)性能，近似為正交各向異性材料，參數(shù)簡化為9個(gè)，見表2。由于側(cè)壓竹的各方向的力學(xué)性相差不大，可以把側(cè)壓竹集成材簡化為各向同性，其彈性模量為9670 MPa，泊松比為0.34。采用木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[10]上的近似公式計(jì)算桉木材料參數(shù)。計(jì)算公式如下：

表2 材料屬性

1.3 裝配及分析步

將桉木LVL和側(cè)壓竹進(jìn)行裝配成完整的膠合竹木梁構(gòu)件。模型總共設(shè)置兩個(gè)分析步：初始分析步（Initial）和施加集中荷載分析步（Step-1）。由于膠合竹木梁在加載期間的變形較大，其剛度隨其承受荷載的增加是不斷變化的，所以把幾何非線性打開。

1.4 相互作用及荷載施加

在初始分析步中定義各部件之間的接觸，假設(shè)桉木之間以及桉木和側(cè)壓竹之間不產(chǎn)生相對滑移，故桉木和側(cè)壓竹集成材之間以及桉木之間采用Tie約束，并且在梁構(gòu)件上定義支座約束和邊界條件，具體步驟如下：首先，在梁頂和梁底事先分割出支座放置區(qū)域，在三分點(diǎn)梁平面定義參考點(diǎn)RP1和RP2，該參考點(diǎn)與分割的支座面采用Coupling約束；其次，在梁底部支座分割處建立參考點(diǎn)RP3和RP4，該參考點(diǎn)與分割的底部支座面也采用Coupling約束；最后在Step-1，按試驗(yàn)最大荷載對模型進(jìn)行加載。

1.5 單元類型

在考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果精度的情況下，我們將模型網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，所有部件均采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，減縮積分（C3D8R）。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力云圖

選取代表性的幾根梁模型繪制應(yīng)力云圖見圖3（單位：Mpa）。由圖可知，膠合竹木梁在三分點(diǎn)附近應(yīng)力集中以及梁底部應(yīng)力較大，容易發(fā)生破壞。

圖3 梁變形及應(yīng)力云圖

2.2 膠合竹木梁抗彎試驗(yàn)破壞現(xiàn)象驗(yàn)證

膠合竹木梁抗彎試驗(yàn)在中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院完成，共做了A1、A2、A4、A8四組，每組2根共8根膠合竹木梁，試驗(yàn)加載過程和加載方案和有限元模擬的條件一樣，均采用三分點(diǎn)分級加載方式。試驗(yàn)梁破壞形態(tài)見圖4所示。

圖4 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

從A1可以看出桉木LVL梁底部拉斷和三分點(diǎn)處木材褶皺破壞，和有限元模擬的A1梁吻合較好；A2梁破壞位置在桉木LVL和側(cè)壓竹之間的剪切破壞，也比較符合有限元模擬結(jié)果，因?yàn)橹癫暮湍静哪z合處應(yīng)力較大，也是容易發(fā)生破壞的位置；A4梁破壞發(fā)生在梁底部竹材的拉斷，與有限元模擬的結(jié)果吻合；A8梁破壞發(fā)生在木材和竹材膠合面附近，因?yàn)槟静暮椭癫哪z合面附近處的應(yīng)力是比較大的，木材容易發(fā)生破壞。試驗(yàn)組與模擬組數(shù)據(jù)對比見表3，從表3數(shù)據(jù)可知，A2試驗(yàn)組極限承載力比A1試驗(yàn)組提高了31.4%，A4試驗(yàn)組極限承載力比A1試驗(yàn)組提高了83.8%，A8試驗(yàn)組極限承載力比A1試驗(yàn)組提高了133.3%。有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

表3 試驗(yàn)與模擬結(jié)果

注：撓度誤差=（模擬值-試驗(yàn)組）/試驗(yàn)值

2.3 有限元模擬結(jié)果對比分析

取膠合竹木梁跨中的撓度為x軸，以2倍的支座反力為y軸，繪制出各梁的荷載—撓度曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，梁截面相同，竹板膠合位置不同，其抗彎剛度變化不明顯；竹板膠合方式相同，截面高度不同，其抗彎剛度變化明顯。

圖5 荷載－撓度曲線

結(jié)語

（1）依據(jù)理論分析，梁截面相同，純LVL梁、梁底部膠合一層竹板、梁底部膠合兩層竹板和梁上下各膠合一層竹板，其剛度依次增強(qiáng)；竹板膠合位置相同，通過增加梁的截面高度，膠合竹木梁的整體剛度增強(qiáng)明顯；

（2）膠合竹木梁的平均承載力較純桉木LVL梁提高了31.4%~133.3%，其中增加梁截面高度，其承載力提高明顯；在不改變梁截面的前提下，通過在梁底部和頂部粘貼竹板也能有效地提高梁極限承載力；

（3）采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析顯示的應(yīng)力較大的地方與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好，說明有限元分析的可行性，可以用來預(yù)測工程構(gòu)件最大可能性的破壞區(qū)域，已達(dá)到提前預(yù)防的目的。

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[9] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2017.

Analysis of Flexural Properties of Glued Bamboo-wood Beams Based on ABAQUS Nonlinear

SU Jie, PENG Peng, LI Qi-hang

(College of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha Hunan 410018, China)

In the paper, the finite element model is used to analyze the flexural properties of glued bamboo-wood beams from the aspects of the beams’ position layout, numbers and section height. The analysis results are compared with the test results, which show that the bearing capacity of glued bamboo beams is 31.4% ~ 133.3% higher than pure eucalyptus LVL beams. The simulated value of the glued bamboo beam is in good agreement with the experimental value. The flexural rigidity of glued bamboo-wood beams is significantly higher than that of eucalyptus LVL beams. When the bamboo boards are set in different layout with the same cross section, the stiffness of the beam with one layer of bamboo boards layed respectively above and below is significantly greater than that of one layer of bamboo boards layed below. When the bamboo boards are set in the same layout with different heights of cross section, the bending stiffness of the beam increases significantly as the cross section height increases. When the beams are the same in cross section, the more bamboo boards are layed at the bottom, the less evidently the stiffness increases.

laminated veneer lumber; glued bamboo-wood beam; flexural stiffness; finite element

2019-12-16

蘇杰（1994—），男，江西豐城人，碩士研究生，研究方向：竹木結(jié)構(gòu)研究、組合結(jié)構(gòu)。

TU366.3

A

2095-9249（2020）03-0023-05

〔責(zé)任編校：吳侃民〕