基于ABAQUS的預應力膠合竹木梁受彎性能研究★

劉秀俠　張平陽　郭　楠

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱　150040)

?

基于ABAQUS的預應力膠合竹木梁受彎性能研究★

劉秀俠張平陽郭楠

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要:采用ABAQUS有限元程序，建立了預應力膠合竹木梁分析模型，從預應力值與預應力鋼絲數量兩方面，分析了影響預應力膠合竹木梁受彎性能的因素，指出預應力鋼絲數量的合理增加可增強其抗彎剛度，預應力值對其抗彎剛度的影響不大。

關鍵詞:預應力，膠合竹木梁，受彎性能，有限元

★:黑龍江省自然科學基金面上項目(項目編號:E201402);國家林業局林業項目科學技術研究項目(項目編號:2014-04)

1　概述

竹、木結構因其節能、環保、宜居等優點受到人們的青睞，作為該結構主受力構件之一，有必要對膠合竹木梁展開研究。然而，純膠合竹木梁存在變形較大、易脆性受拉破壞及不能充分利用材料強度等問題，因此，本文提出預應力膠合竹木梁。目前，國內外的研究集中在竹木復合材的材性研究［1，2］、膠合竹梁、木梁受力性能和破壞形態研究［3-5］及預應力木梁研究［6，7］，尚無對預應力膠合竹木梁的研究，因此，有必要開展對預應力膠合竹木梁的研究。本文利用ABAQUS有限元程序對預應力膠合竹木梁進行建模分析，研究預應力值及預應力筋數量對預應力膠合竹木梁短期受彎性能的影響，為其在實際工程中的應用提供理論基礎。

2　模型基本信息

2．1材料及尺寸

梁跨為3 150 mm，截面尺寸為100×100，采用厚20 mm的重組竹與楊木間隔布置的方式，由于本模型左右完全對稱，因此僅建立1/2個模型，如圖1所示。鋼筋采用直徑為7 mm的1570及低松弛預應力鋼絲，在三分點通過絲扣擰張橫向張拉法施加預應力。

圖1　預應力膠合竹木梁

2．2加載方式及梁編號

采用三分點對稱加載，即在三分點處施加大小、方向均相同的外荷載。共計9根梁，編號為Lm，n，其中，m表示預應力值;m為1，2，3分別表示預應力為1．987 kN，3．975 kN和5．962 kN;n表示預應力鋼絲根數，n為1，2，3分別表示鋼絲為2根，4根，6根。

2．3材料屬性

考慮到重組竹、楊木的徑向及切向特性相差不大，且明顯低于縱向特性，近似認為徑向與切向特性相同，將其物理特性簡化為9個，具體取值參考GB/T 50708—2012膠合木結構技術規范及棱柱體試件抗壓試驗。對預應力筋，其材料性能按GB 50010—2010混凝土結構設計規范取值。對墊片、張弦螺桿等其他部件，不考慮其彈性變形，將彈性模量取2．0×107N/mm2。需要指出，為建模方便，對4根，6根鋼絲的情況，均按2根建模，但將半徑等效為4．95 mm及6．06 mm。

2．4分析步

共三個分析步，即初始分析步(Initial)、施加預應力(Step1)及施加集中荷載(Step2)。在Initial，定義各部件間的接觸、約束及邊界條件，具體如下:在三分點梁頂建參考點，該參考點與墊片采用Coupling約束;在支座位置底建參考點，該參考點與支座所在的線亦采用Coupling約束;鋼筋與端部錨固裝置及轉向塊間采用Embedded約束;絲扣擰張橫向張拉裝置與梁采用Tie約束;梁頂墊片及端錨裝置與梁體采用Standard接觸。在Step1，采用升溫法施加預應力;在Step2，在三分點施加大小均為16 kN集中荷載。

2．5單元類型

在綜合考慮計算時間及精度的基礎上，將模型網格大小取20 mm。除鋼筋采用兩結點空間線性梁單元(B31)外，其他部件均采用八節點熱耦合六面體單元，三項線性位移，三項線性溫度單元(C3D8T)。

3　結果及分析

3．1應力云圖

預應力膠合竹木梁的應力云圖見圖2。因膠合竹木梁的應力遠小于鋼絲應力，導致在整體應力云圖上無法清晰體現膠合竹木梁及預應力鋼絲的應力分布，因此分別給出膠合木梁及預應力鋼絲的應力云圖。由圖可知，膠合竹木梁在三分點及端部錨固裝置附近應力較大，易發生破壞。

The application of static elastic-plastic analysis in frame structures

Tang XiaogangLv Dongchun
(Anhui Huadian Engineering Consultaing＆Design Co．，Ltd，Hefei 230022，China)

Abstract:This paper elaborated the basic principle of static elastic-plastic analysis method，taking to a frame structure as an example，using the finite element analysis software ETABS，this paper made static elastic-plastic analysis on this structure，evaluated the structure seismic performance，pointed out that the static elastic-plastic analysis method had good engineering practical value and broad development prospects． Applying ABAQUS finite element program，the paper establishes prestressed gluing bamboo beam analysis model，explores factors influencing flexural performance of prestressed gluing bamboo beam from two aspects of prestressed value and prestressed steel quantity，and finally points out that rationally increasing prestressed steel quantity will strengthen its bending-resisting rigidity．In addition，the prestressed value has little impact upon its bending-resisting rigidity．

Key words:static elastic-plastic analysis，capacity spectrum method，frame structure prestress，gluing bamboo beam，flexural performance，finite element

圖2　預應力膠合竹木梁應力云圖

3．2預應力鋼絲數量的影響

以膠合竹木梁跨中某點的位移為x軸，以三分點處集中荷載為y軸，繪制出各梁的荷載—撓度關系曲線，如圖3所示。由圖3可知，對預應力膠合竹木梁，在一定范圍內，當預應力值保持不變時，隨預應力鋼絲根數的增加，其荷載—撓度關系曲線的斜率增大，梁在相同撓度下所需荷載增加。即預應力鋼絲數量在合理范圍內的增加，將使預應力膠合竹木梁的抗彎剛度增強。

圖3　梁的荷載—撓度關系曲線（一）

3．3預應力值的影響

保持預應力鋼絲根數不變時，各組梁的荷載—撓度曲線如圖4所示。由圖4可知，當預應力鋼絲根數保持不變時，隨預應力值的增加，其荷載—撓度關系曲線基本重合。即預應力值對預應力膠合竹木梁的剛度影響不大。

4　結語

1)對采用兩點張弦及端部錨固裝置的預應力膠合竹木梁，在三分點及端錨裝置附近應力較大，易發生破壞。2)依據理論分析，對預應力膠合竹木梁，當預應力值保持不變時，預應力鋼絲數量在合理范圍內增加，將使預應力膠合竹木梁的抗彎剛度增強。3)依據理論分析，對預應力膠合竹木梁，預應力值的改變對其剛度影響不大。4)上述結論僅來自理論分析，尚有待于實際試驗的進一步檢驗。

參考文獻:

［1］蔣身學，朱一辛，張齊生．竹木復合層積材結構及其性能［J］．南京林業大學學報(自然科學版)，2002，26(6):10-12．

［2］王泉中，張曉冬，周雪華．濕效應對竹木復合材料剛度性能的影響［J］．浙江林學院學報，2010，27(4):591-594．

［3］劉偉慶，楊會峰．工程木梁的受彎性能試驗研究［J］．建筑結構學報，2008，29(1):90-95．

［4］Tomi Toratti，Simon Schnabl，Goran Turk．Reliability analysis of a glulam beam［J］．Original Research Article Structural Safety，2007，29(4):279-293．

［5］張濟梅，潘景龍，董宏波．張弦木梁變形特性的試驗研究［J］．低溫建筑技術，2006(2):49-51．

［6］張濟梅，潘景龍，董宏波．張弦木梁預應力損失初步探討［J］．低溫建筑技術，2007(6):25．

［7］左宏亮，楊穎偉，郭楠，等．預應力膠合木張弦梁受彎性能有限元分析［J］．遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2015(3):390-394．

Study on flexural performance of prestressed gluing bamboo beam on the basis of ABAQUS★

Liu XiuxiaZhang PingyangGuo Nan
(College of Civil Engineering，Northeast University of Forestry，Harbin 150040，China)

作者簡介:劉秀俠(1991-)，女，在讀碩士;張平陽(1992-)，女，在讀碩士;郭楠(1978-)，男，副教授

收稿日期:2015-10-25

文章編號:1009-6825(2016)01-0048-02

中圖分類號:TU366

文獻標識碼:A