新型鋼木組合樓蓋抗彎性能有限元探究

尹迪

0 引言

近年來，相關(guān)學(xué)者不斷加大鋼木組合結(jié)構(gòu)的研究力度，分析新型鋼木組合樓蓋在水平荷載下的轉(zhuǎn)動性能，獲得相應(yīng)結(jié)論，證明了木材的側(cè)向加固，有效提升了樓板剛性，同時(shí)通過有限元分析，得知木材能夠更好地提高剛性等結(jié)論。新型鋼木組合結(jié)構(gòu)有效融合鋼材強(qiáng)度高、木材可再生建筑材料的優(yōu)點(diǎn)，更加符合現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的需求，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全穩(wěn)定性和承載力。

1 研究意義

新型鋼木組合樓蓋結(jié)構(gòu)體系主要利用彩鋼板當(dāng)作屋面，以木結(jié)構(gòu)為主要結(jié)構(gòu)骨架，促進(jìn)兩者之間相互作用，形成新型結(jié)構(gòu)體系。有限元分析屬于當(dāng)今輔助試驗(yàn)研究的主要手段之一。在實(shí)際工作中進(jìn)行有限元分析，能夠有效彌補(bǔ)試驗(yàn)分析耗時(shí)、消耗大量人力資源和資金、參數(shù)分析局限性等不足之處。樓蓋剛度的增加對整個建筑結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生重要影響，進(jìn)一步保證了整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。因此，新型鋼木組合樓蓋性能研究具有重要意義。新時(shí)期，我國社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)展，人們生活品質(zhì)不斷提升，更多地注重綠色建筑發(fā)展。新型鋼木組合樓蓋住宅屬于低碳環(huán)保建筑，呈現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

2 新型鋼木組合樓蓋的優(yōu)勢

新型鋼木組合樓蓋建筑具有自身獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢。（1）環(huán)保節(jié)能。木材自身物理構(gòu)造獨(dú)特、導(dǎo)熱系數(shù)較小，呈現(xiàn)出良好的保溫隔熱使用性能，能夠有效節(jié)約能源。部分學(xué)者針對木材、輕鋼、鋼筋混凝土、磚混等結(jié)構(gòu)的生命周期開展能耗對比分析，充分證明了木結(jié)構(gòu)建筑生命周期能源損壞最小。針對木材、鋼混結(jié)構(gòu)示范住宅應(yīng)用過程中一年的采暖、空調(diào)耗電量進(jìn)行模擬研究分析，分析結(jié)果表明木結(jié)構(gòu)建筑物相比較鋼混結(jié)構(gòu)建筑物耗電量小21.5%。保溫效果相同的條件下，木結(jié)構(gòu)建筑消耗的電能和磚混結(jié)構(gòu)建筑相比，是磚混結(jié)構(gòu)建筑的70%左右。因此，木結(jié)構(gòu)建筑展現(xiàn)出節(jié)約能源、節(jié)省電費(fèi)成本的優(yōu)勢。另外，部分學(xué)者針對木材結(jié)構(gòu)、鋼材結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)建筑對自然環(huán)境影響程度、全壽命周期能耗進(jìn)行研究分析，同時(shí)對這三種材料水污染、固體廢棄物排放、溫室效應(yīng)等相關(guān)環(huán)境影響進(jìn)行分析，充分表明了木材對自然環(huán)境的影響值最小，同時(shí)木結(jié)構(gòu)建筑施工建設(shè)過程中幾乎沒有電焊施工，不會產(chǎn)生噪聲污染，展現(xiàn)出較高的安全穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)出木結(jié)構(gòu)建筑環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢。（2）運(yùn)行成本。木結(jié)構(gòu)建筑相比較于其他結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)行成本較低。木、鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件能夠通過相關(guān)工廠進(jìn)行預(yù)制，在施工現(xiàn)場能夠進(jìn)行簡單的拼裝，有利于施工人員迅速操作，提升施工進(jìn)度，節(jié)約人工費(fèi)用支出，同時(shí)木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)房屋建成之后能夠直接被人們使用，節(jié)省裝修成本。木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)墻體能耗相同的條件下，厚度比鋼混結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)墻體較小，節(jié)省施工原材料，同時(shí)施工建設(shè)過程中，在墻體或者樓板空腔內(nèi)部布置所有干線和保溫材料，不會占用其他利用空間，相比較我國磚混、水泥建筑使用率高出10～20%左右，有效節(jié)省房屋空間，進(jìn)而有效減少整體成本。木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)墻體厚度相對較小、自重輕，能夠有效減少對基礎(chǔ)的要求，節(jié)約房屋建筑施工建設(shè)成本。另外，木結(jié)構(gòu)具有節(jié)能效果，可有效減少房屋建筑使用過程中采暖、空調(diào)能耗，減少整體費(fèi)用支出。根據(jù)相關(guān)專家估算，我國采用進(jìn)口材料施工建設(shè)木結(jié)構(gòu)房屋建筑，成本大約4 500 元/m，但是我國膠合板、連接件、防水卷材等相關(guān)木結(jié)構(gòu)零配件不斷產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化和國產(chǎn)化程度，大大降低了輕型木結(jié)構(gòu)建筑整體造價(jià)，能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 元以下/m。新型鋼木組合樓蓋結(jié)構(gòu)建筑主要采用彩鋼板替代以往木結(jié)構(gòu)板材，作為結(jié)構(gòu)屋面板。彩鋼板價(jià)格低廉，可有效減少施工原材料費(fèi)用支出，當(dāng)木結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件能夠自給自足的情況下，進(jìn)一步減少材料運(yùn)輸和進(jìn)口成本，最大程度地減少整個建筑工程造價(jià)，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。（3）安全穩(wěn)定性。木、鋼結(jié)構(gòu)建筑具有較強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力，同時(shí)自重輕、韌性大，在地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害的影響下，建筑結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)發(fā)生位移的情況下，由于自身的彈性服務(wù)，不會出現(xiàn)倒塌等現(xiàn)象。部分學(xué)者針對受到地震、海嘯、臺風(fēng)影響的木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)房屋瓦片、墻壁受到嚴(yán)重?fù)p壞，但是木架完好保存，人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失較少，呈現(xiàn)出良好的抗震、抗彎性能，具有較強(qiáng)的安全穩(wěn)定性。新型鋼木組合樓蓋結(jié)構(gòu)建筑屬于木、鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合，有效融合了這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮其最大應(yīng)用價(jià)值，提升整個建筑的安全可靠性。

3 建立有限元模型

國外針對新型鋼木組合樓蓋結(jié)構(gòu)建筑開展較多試驗(yàn)，但是試驗(yàn)具有較高的經(jīng)費(fèi)、構(gòu)件數(shù)目有限，同時(shí)試驗(yàn)周期長，通過大量有限元參數(shù)計(jì)算分析能夠有效解決試驗(yàn)問題。有限元分析法主要是將工程結(jié)構(gòu)實(shí)體建筑模擬成有限元計(jì)算模型，包含節(jié)點(diǎn)和單元，需要輸入結(jié)構(gòu)材料的不同屬性，增加結(jié)構(gòu)邊界、約束條件和外荷載等，最終針對有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。本文主要針對新型鋼木組合樓蓋，研究鋼材規(guī)格尺寸對抗彎性能的影響，借助ABAQUS 有限元分析軟件，有限元分析三種不同規(guī)格鋼材的新型鋼木組合樓蓋。試驗(yàn)人員建立有限元模型的過程中，選用冷彎型鋼-膠合木組合梁，主要通過兩個單肢的C型鋼，應(yīng)用自攻螺釘連接形式拼合成工字形截面梁，同時(shí)應(yīng)用環(huán)氧樹脂粘鋼膠、異型膠合木梁構(gòu)成，保證其協(xié)調(diào)變形。上部膠合木在受力的過程中主要受壓、下部冷彎型鋼在受力的過程中主要受拉。新型鋼木組合樓蓋主要通過自攻自鉆螺釘裝配一塊OSB 板，創(chuàng)建新型的新型鋼木組合樓蓋。由于OSB 板屬于規(guī)格材，應(yīng)用一塊2400×610mm×18mm，呈現(xiàn)出示范推廣的意義。新型鋼木組合樓蓋模型見圖1。新型鋼木組合樓蓋建筑模型相對比較繁雜，創(chuàng)建整個房屋結(jié)構(gòu)，具有較多梁柱桿件、螺栓、自攻螺釘數(shù)目，同時(shí)要求鋼板的連接具體位置和桿件節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)，精準(zhǔn)控制框架各個桿件結(jié)構(gòu)、屋面板、墻面板節(jié)點(diǎn)位置、結(jié)構(gòu)單元大小，有利于連接件的模擬。

圖1 新型鋼木組合樓蓋模型

4 定義材料屬性

試驗(yàn)人員開展材性試驗(yàn)定義材料屬性，冷彎型鋼屈服強(qiáng)度是235MPa，彈性模量E=2.05×10MPa，泊松比是0.3。當(dāng)膠合木屬于正交各向異性材料的情況下，結(jié)合課題組開展材性試驗(yàn)有效確定膠合木的材料屬性。膠合木材料參數(shù)抗壓強(qiáng)度為34.59、抗壓彈性模量7 218.56、抗拉強(qiáng)度68.7、抗拉彈性模量8 290.14。另外，OSB 板厚度為18mm，其材性取值按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，材料參數(shù)為平行縱向，抗彎彈性模量為5 250MPa、抗彎強(qiáng)度21.2MPa、泊松比0.3；垂直縱向，抗彎彈性模量為1 910MPa、抗彎強(qiáng)度7.85MPa、泊松比0.11。試驗(yàn)人員創(chuàng)建冷彎型鋼-膠合木組合梁有限元模型的過程中，為了更加方便模型的分析，更好展現(xiàn)模型受力情況，對模型中的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建近似假定。

（1）試驗(yàn)人員在有限元分析過程中，不考慮相關(guān)接觸面之間的滑移，在冷彎型鋼-膠合木組合樓蓋模型中，不同材料之間互相接觸，需要充分考量粘接、滑移效應(yīng)，才能有效保證準(zhǔn)確模擬。但是，冷彎型鋼-膠合木之間、冷彎型鋼和冷彎型鋼之間出現(xiàn)細(xì)部轉(zhuǎn)變的情況下，對整個構(gòu)建不會產(chǎn)生較大影響。因此，試驗(yàn)人員不用考慮不同接觸面之間的滑移效應(yīng)。

（2）試驗(yàn)人員在有限元分析過程中，不考慮自攻螺釘?shù)膿p壞情況。冷彎型鋼和冷彎型鋼之間應(yīng)用自攻螺釘進(jìn)行有效連接，保證其更加良好的結(jié)合。因此，試驗(yàn)人員在有限元建模的過程中，應(yīng)用“Tie”的連接方式有效模擬自攻螺釘連接位置，進(jìn)而有效簡化新型鋼木組合樓蓋有限元模型，不考量自攻螺桿的力學(xué)性能。試驗(yàn)人員在實(shí)踐操作和分析過程中，為了獲取新型鋼木組合樓蓋的抗彎力學(xué)性能，應(yīng)用統(tǒng)一的四分點(diǎn)加載方式，分析不同規(guī)格鋼木組合樓蓋模型。試驗(yàn)人員針對新型鋼木組合樓蓋的四分點(diǎn)具體位置，同時(shí)施加相同大小的外部集中力F，直到試件能夠符合極限狀態(tài)為止。不同模型保持相同的邊界條件，都是一端簡支、另一端為固定的簡支板。另外，各個模型的一端約束X，Y，Z 三個方向的位移，另外一段主要約束X，Y 兩個方向上的位移，沿著新型鋼木組合樓蓋寬度的方向?yàn)閄方向，沿著新型鋼木組合樓蓋高度的方向?yàn)閅 方向，沿著新型鋼木組合樓蓋試件的長度方向?yàn)閆。

5 新型鋼木組合樓蓋變形探究

相關(guān)學(xué)者針對冷彎薄壁型鋼鋼木組合墻體進(jìn)行大量的抗剪性能、抗側(cè)剛度理論研究，但是針對新型鋼木組合樓蓋變形計(jì)算研究相對較少。我們根據(jù)有限元分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樓蓋鋼板蒙皮效應(yīng)能夠有效提升整個建筑結(jié)構(gòu)抗彎性能，需要試驗(yàn)人員針對新型鋼木組合樓蓋變形計(jì)算進(jìn)行理論公式探究。新型鋼木組合樓蓋的頂部受到水平集中力的影響下，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)水平側(cè)移的現(xiàn)象，新型鋼木組合樓蓋的變形主要包含剪切和彎曲變形。新型鋼木組合樓蓋側(cè)移采用公式：△=△p+△m。該公式中△為新型鋼木組合樓蓋水平側(cè)移；△p 為新型鋼木組合樓蓋剪切變形產(chǎn)生的水平側(cè)移；△m 為新型鋼木組合樓蓋彎曲變形產(chǎn)生的水平側(cè)移。

新型鋼木組合樓蓋的剪切變形△p 綜合考量屋面鋼板自身的剪切變形△a、屋面鋼板和木材料連接的自攻螺釘滑移形成的剪切變形△b。新型鋼木組合屋面鋼板剪切變形產(chǎn)生的水平側(cè)移采用公式表示：△p=△a+△b。新型鋼木組合屋面鋼板能夠有效提升鋼木組合樓蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度，但是木屋架作用相對較小，在推導(dǎo)樓蓋自身剪切變形的過程中，充分考慮鋼板作用，不考慮木屋架的影響，屋面板自身的剪切變形主要通過扭矩和集中力兩個方面產(chǎn)生。自攻螺釘間距不同的情況下，對屋面鋼板自身剪切變形具有較大影響。部分相關(guān)學(xué)者推導(dǎo)冷彎薄壁型鋼墻體抗剪公式過程中，充分考慮了自攻螺釘間距的影響，進(jìn)行相適應(yīng)的修正。屋面鋼板自身產(chǎn)生的剪切變形△a 采用該修正系數(shù)，獲得相關(guān)公式。

圖2 自攻螺釘滑移剪切變形

6 結(jié)論分析

試驗(yàn)人員進(jìn)行有限元分析的過程中，以有限元模型中材料符合極限應(yīng)變，當(dāng)作新型鋼木組合樓蓋符合承載力極限狀態(tài)的標(biāo)志，試驗(yàn)人員通過分析計(jì)算，獲取所有新型鋼木組合樓蓋模型加載的過程和極限承載狀態(tài)。另外，試驗(yàn)人員結(jié)合數(shù)值模型模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷彎型鋼-膠合木組合樓蓋的極限荷載跟隨鋼材的厚度減少而減小，增加而增大，同時(shí)隨著鋼材腹板高度的減少而減??；增加而增大。我們從加載過程的應(yīng)力變化狀況進(jìn)行探析，當(dāng)新型鋼木組合樓蓋進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的情況下，冷彎型鋼的下翼緣首先第一受拉屈服，冷彎型鋼的上翼緣受壓應(yīng)力明顯增大，在相應(yīng)程度上有效減少了膠合木中壓應(yīng)力的增加幅度。膠合木上翼緣實(shí)現(xiàn)極限應(yīng)變的過程中，OSB 板被壓損壞。因此，該種新型鋼木組合樓蓋呈現(xiàn)出良好的延性和承載力，有較大改善。試驗(yàn)人員結(jié)合不同新型鋼木組合樓蓋模型的荷載-跨中撓度曲線進(jìn)行分析。彈性階段，鋼梁沒有受拉屈服之前，荷載撓度曲線呈現(xiàn)出線性變化的狀態(tài)。新型鋼木組合樓蓋鋼腹板高度增加20mm 的情況下，該樓蓋的抗彎承載能力明顯提升了31.9%，跨中撓度變形明顯提升了12.5%。冷彎型鋼板厚度增加0.5 毫米的條件下，新型鋼木組合樓蓋抗彎承載力顯著提升8.73%，跨中撓度變形提升0.73%。

7 結(jié)語

本文通過有限元軟件分析，新型鋼木組合樓蓋具有良好的抗彎承載能力，呈現(xiàn)出優(yōu)良的示范推廣作用。冷彎型鋼的腹板高度、厚度增加的情況下，有效提升新型鋼木組合樓蓋的承載能力。冷彎型鋼-膠合木組合樓蓋達(dá)到承載能力極限狀態(tài)的情況下，下部鋼構(gòu)件首先屈服，之后上部的膠合木、OSB 板受壓損壞。新型鋼木組合樓蓋損壞過程中展現(xiàn)出顯著的塑性變形特點(diǎn)，破壞過程中具有良好的延性。冷彎型鋼-膠合木組合樓蓋的承載能力、變形性能受到新型鋼木組合樓蓋連接形式的影響。