預應力腹板開洞鋼-木組合梁抗彎性能研究

陳智強

摘 要：【目的】為了研究體外預應力腹板開洞鋼-木組合梁在四點彎曲靜載作用下的變形和受力性能?！痉椒ā客ㄟ^有限元軟件ABAQUS建立三維實體模型，研究預應力鋼絞線布置形式和洞口形狀等參數對組合梁剛度、變形和承載能力的影響規(guī)律和程度?！窘Y果】結果表明：設置預應力鋼絞線可以顯著提高組合梁的剛度和承載力，使折線型的初始剛度和屈服承載力分別增強41%和25%，直線型效果次之；未設置預應力的組合梁跨中洞口處容易發(fā)生應力集中和較大變形；洞口形狀影響洞口區(qū)域應力重分布情況，長方形洞口底部兩側容易出現塑性鉸，正方形洞口這種現象得到部分改善，圓形洞口底端鈍角容易發(fā)生應力集中和變形。【結論】選擇合適的預應力鋼絞線布置形式和洞口形狀可以顯著提高腹板開洞對鋼-木組合梁剛度和承載力，減少變形程度。

關鍵詞：鋼-木組合梁；腹板開洞；體外預應力；非線性有限元

中圖分類號：TU398+.6? ?文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2024）03-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.013

Research on Flexural Performance of Steel-Wood Composite Beams with Prestressed Web Holes

CHEN Zhiqiang

（College of Civil Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 655024， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the deformation and mechanical properties of external prestressed steel-wood composite beams with web holes under four-point bending static load. [Methods] Three-dimensional solid model was established by finite element ABAQUS to study the influence of prestressed steel strand layout and hole shape on the stiffness， deformation and bearing capacity of composite beams. [Findings] The results show that the stiffness and bearing capacity of the composite beam can be significantly improved by setting prestressed steel strand， and the initial stiffness and yield bearing capacity of the curved beam can be increased by 41% and 25% respectively， followed by the effect of the straight beam. Stress concentration and large deformation are easy to occur at the opening in the span of composite beams without prestressing. The shape of the hole can redistribute the stress in the area of the hole， the plastic hinge is easy to appear on both sides of the bottom of the rectangular hole， the phenomenon of the square hole is partially improved， and the obtuse angle at the bottom of the round hole is easy to occur stress concentration and deformation. [Conclusions] Selecting the proper layout of the prestressed steel strand and the shape of the opening area can significantly improve the stiffness and bearing capacity of the steel-wood composite beam with web holes and reduce the degree of deformation.

Keywords： steel-wood composite beams; webholes; externalprestressing; nonlinear finite element

0 引言

建筑結構中由于工程安裝和消防需求，通常在腹板開洞，以供電路系統(tǒng)、供熱制冷和通風管道等穿過，以增大建筑空間凈高及保證良好經濟效益。由于腹板洞口的存在，組合梁的承載能力和剛度受到明顯的削弱和降低［1-2］。

本研究受混凝土預應力結構的啟發(fā)，采用體外預應力技術對腹板開洞的鋼-木組合梁結構進行加固和補強，降低開洞對組合梁力學性能的影響，已有的研究顯示效果較為顯著。Chen等［3］對預應力鋼-混凝土連續(xù)組合梁進行研究發(fā)現，彎矩和內力重分布程度增大，并提出承載力評估方案。戚家南等［4］通過體外預應力對混凝土梁受剪承載力作用機理進行研究，提出了混凝土受剪承載力計算方法，計算值與試驗值比值為0.950，標準差為0.125。李龍起等［5］通過試驗對比，研究連續(xù)組合梁腹板開洞的內力重分布和塑性餃特性，發(fā)現洞口區(qū)域不符合平截面假定。目前，國內外對預應力的研究主要圍繞鋼-混凝土、混凝土和膠合木結構力學性能展開，對于采用體外預應力技術增強腹板開洞鋼-木組合梁的研究相對較少。

本文以體外預應力腹板開洞鋼-木組合梁為研究對象，采用有限元軟件ABAQUS對組合梁鋼絞線布置形式和跨中洞口形狀等進行非線性有限元分析，研究其對組合梁的承載力、撓度變形、內力分布和破壞模式等受力性能的影響，鋼-木組合梁示意如圖1所示。

1 有限元模型

1.1 材料屬性與本構關系

1.1.1 LVL木材。采用正交各向異性的雙折線本構模型和Hill屈服準則，如圖2所示。考慮各方向力學性能差異，LVL木材的彈性模量E1、E2及E3為12 157 MPa、426 MPa及426 MPa；剪切模量G12、G13和G23為850 MPa、850 MPa和96 MPa；泊松比V12、V13及V23分別為0.48、0.48和0.22。通過局部坐標指派材料方向，并且忽略單板材膠層影響。

1.1.2 鋼材、加勁肋和螺釘。采用理想彈塑性的雙折線等向強化模型，如圖3（a）所示，屈服準則采用vonMises經典準則。鋼材和加勁肋采用200UB25.4材質，彈性模量E為200 GPa，屈服強度[fy]和極限強度[fu]分別為360 MPa和480 MPa；同時直徑16 mm固定螺釘的屈服強度[fy]和極限抗拉強度[ft]分別為240 MPa和400 MPa。

1.1.3 預應力鋼絞線。采用直徑15.2 mm的1860預應力鋼絞線，計算公式與本構關系見式（1）和圖3（b），彈性模量為195 GPa，密度為[7.8×10-9t/mm3]，泊松比v=0.3，為了研究鋼絞線張拉力大小，在外荷載加載前設置一個分析步，并且通過降溫法引入預張力，見式（2）。

[ε=σEp+0.002σf0.213.5] （1）

[ΔT=βσαE] （2）

以上式中：[f0.2=0.85fb]；[fe=0.75fb]；[Ep]為預應力鋼絞線彈性模量；[fb]為極限應力；[fe]為初始屈服點；[ΔT]為降溫變化值；[β]為修正系數；[σ]為預應力值；[α]為膨脹系數取[1×10-5]。

1.2 模型建立與邊界設置

在有限元模型中，鋼材、螺釘和LVL均采用三維實體C3D8R單元，預應力鋼絞線選用的三維桁架T3D2單元，預應力鋼絞線與端板采用MPC連接的方式，中部加勁肋選用耦合僅限制U1和U2方向的平動，使預應力筋可以發(fā)生相對滑動，法方向選用硬接觸，切方向設置摩擦系數0.45，對于組合梁采用簡支梁四點彎曲加載方案，設置加載墊板和支撐墊板防止應力集中，如圖4所示。

1.3 模型驗證與對比

為了驗證有限元模型的可靠性，對參考文獻［6］中的試驗試件進行模擬，并且將兩者的荷載—位移曲線和破壞現象進行對比分析，如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，試驗試件曲線和模擬曲線趨勢基本一致，吻合情況較好，屈服荷載誤差均在10%以內，并且LVL木材底面發(fā)生拉伸破壞和連接件螺釘發(fā)生剪切變形。由此證明了有限元模型的準確性和可靠性。

2 鋼-木組合梁參數分析

2.1 鋼絞線布置形式

預應力使腹板開洞鋼-木組合梁產生負彎矩與外荷載作用下產生的彎矩相抵消，來達到降低變形提高承載力的作用，預應力初始張拉力為100 kN，布置形式較為直接地影響組合梁的承載力和剛度，分別設置無預應力、折線型和直線型等三種布置方式進行研究。

各工況下的組合梁的荷載—位移曲線如圖7所示。由圖7可知，設置預應力鋼絞線增強措施的組合梁承載力明顯優(yōu)于未設置預應力鋼絞線組合梁，折線型相對無預應力初始剛度和屈服荷載分別提高41%和24%，直線型也得到一定程度的增強和改善，具體見表1。

不同布置形式的應力分布如圖8所示。由圖8可知，在未設置預應力情況下，跨中洞口處應力集中明顯，并且下底面在最后發(fā)生彎曲破壞；折線型和直線型布置使剛度得到了顯著提高，應力集中得到有效改善。

2.2 腹板洞口形狀

設置不同洞口形狀以滿足工程要求，對折線型的布置形式組合梁鋼材腹板設置了面積相同的長方形、正方形和圓形等形狀，其應力分布如圖9所示。

不同洞口形狀的組合梁荷載—位移曲線如圖10所示。由圖10可知，在設置預應力鋼絞線后的組合梁跨中，不同洞口形狀之間的剛度和承載力差異較小，影響可以忽略。但改變洞口形狀可以改善洞口局部區(qū)域應力集中的現象，長方形洞口在下端兩側產生了明顯的塑性鉸，而在正方形洞口這種現象得到部分緩解。由于底部預應力拉力的存在，圓形洞口最下端的鈍角處容易發(fā)生變形，出現應力集中現象。

3 結論

①有限元模型和試驗試件的荷載—位移曲線和破壞形態(tài)結果基本吻合，說明模型具有可靠性和有效性。

②設置預應力鋼絞線對腹板開洞鋼-木組合梁增強效果顯著，其中折線型效果最佳，直線型其次。

③洞口形狀對于設置預應力的組合梁的剛度和承載力影響較小，但是改變洞口形狀對于緩解洞口區(qū)域應力集中十分有效。

④在綜合考慮預應力布置形式、洞口面積和形狀等條件下，可以有效改善鋼-木組合梁由于腹板開洞造成的承載能力削弱的影響，同時保證加固措施的可操作性和經濟性。

參考文獻：

［1］蔣偉，廖文遠，劉德穩(wěn)，等.洞口形狀對腹板開洞鋼-混凝土組合梁的受力性能影響分析［J］.建筑科學與工程學報，2023，40（3）：61-69.

［2］陳國，于云飛，李祥，等.定向刨花板加固腹板開洞竹木工字梁力學性能研究［J］.農業(yè)工程學報，2018，34（23）：260-266.

［3］CHEN S， WANG X， JIA Y. A comparative study of continuous steel–concrete composite beams prestressed with external tendons： experimental investigation［J］. Journal of constructional steel research， 2009， 65（7）： 1480-1489.

［4］戚家南，王景全，呂志濤.體外預應力混凝土梁受剪承載力計算方法研究［J］.建筑結構學報，2015，36（1）：92-97.

［5］李龍起，周東華，廖文遠，等.腹板開洞鋼-混凝土連續(xù)組合梁塑性鉸及內力重分布試驗研究［J］.工程力學，2015，32（11）：123-131.

［6］HASSANIEH A， VALIPOUR H R， BRADFORD M A. Experimental and numerical study of steel-timber composite （STC） beams［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2016， 122： 367-378.