螺栓排列方式對鋼—竹組合柱承載力的影響★

楊佳奇 張 安 王 蘭 韓 波 王 維 張秀華

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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螺栓排列方式對鋼—竹組合柱承載力的影響★

楊佳奇 張 安 王 蘭 韓 波 王 維 張秀華

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

采用有限元分析軟件ABAQUS，建立了冷彎薄壁方鋼管—重組竹組合柱模型，并確定了其荷載與邊界條件，分析了螺栓排列方式對組合柱承載力的影響，為后續(xù)該結(jié)構(gòu)的研究提供了依據(jù)。

鋼—竹組合柱，有限元分析，螺栓排列方式，承載力

近年來我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們對生活條件的要求逐漸提高。建筑行業(yè)也越發(fā)受到重視，但是隨著建筑面積不斷擴大，建筑能耗也隨之增加，水泥、鋼筋等建筑材料的耗量越來越多，而這些燃料的總儲量有限，并非取之不盡。現(xiàn)代社會對新型材料或新型組合形式的需要越來越迫切。因此，綠色、可再生的新型建筑材料在建材行業(yè)層出不窮[1]。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑跨度小、高度低，目前應用也不是很廣泛，但是鋼—竹組合結(jié)構(gòu)能夠打破木結(jié)構(gòu)存在的一些缺陷，滿足現(xiàn)代建筑對材料提出的更高需求。同時鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性和承載力得到提高，并且得到了充分的利用，滿足了現(xiàn)代社會對建筑業(yè)提出的綠色、可持續(xù)發(fā)展的要求[2]。課題組人員通過運用有限元軟件ABAQUS對鋼—竹組合柱進行有限元分析，通過分析模型探究螺栓的排列方式對組合柱承載力的影響，為后續(xù)的研究工作做參考。

1 鋼—竹組合柱有限元分析

1.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

進行有限元軟件分析前，首要明確組合柱中型鋼與重組竹兩種材料的本構(gòu)模型關(guān)系。為更好分析組合柱受力性能，依據(jù)冷彎薄壁型鋼和重組竹兩種材料的材性，暫取其作為本分析中的材料屬性。重組竹泊松比的取值參考已有文獻資料暫取0.3[3-5]。具體兩種材料參數(shù)如表1所示，方鋼管和重組竹簡化的本構(gòu)模型關(guān)系如圖1所示。

表1 材料參數(shù)

1.2 建立分析模型

以組合柱試件建立模型，利用“拉伸”操作創(chuàng)建方鋼管、重組竹板、螺栓三維部件。依據(jù)前文數(shù)據(jù)輸入兩種材料的已知參數(shù)，完成創(chuàng)建截面屬性操作，選擇均質(zhì)實體，再為已繪部件賦予屬性。最后利用“裝配”模塊組裝組合柱。

組合柱單元選取，鋼板、重組竹板與螺栓均采用四節(jié)點線性四面體單元C3D4，并為各部件劃分網(wǎng)格，其特征值為25。純型鋼柱、純重組竹材柱使用八節(jié)點線性六面體的減縮積分單元C3D8R，使用結(jié)構(gòu)劃分技術(shù)。組合柱有限元模型如圖2所示。

1.3 定義荷載及邊界條件

參考試驗情況，設(shè)定柱底端部約束及柱頂施加荷載。柱底約束X,Y,Z所有方向的自由度，保持位移、轉(zhuǎn)角不變。柱頂面采用與參考點耦合的方式，故荷載的施加轉(zhuǎn)移為對控制點進行。邊界條件與控制點的設(shè)置如圖3所示。

2 螺栓排列方式對組合結(jié)構(gòu)的影響

以圖2組合柱模型為基礎(chǔ)，在方鋼管厚度、重組竹厚度、邊界條件等條件不變的基礎(chǔ)上，僅將螺栓布設(shè)方式改為一字形布置和五餅形布置，進行有限元分析。分別列舉兩種螺栓排布方式不同的組合柱應力云圖及對比曲線，如圖4,圖5所示。

從圖5中可知，螺栓采用梅花形、一字形、五餅形的排列方式時，組合柱的承載力基本相同。說明螺栓排列并不能明顯影響組合柱的承載力，螺栓的主要作用為限制由于鋼—竹粘結(jié)的受損面過大引起的竹材變形。

3 結(jié)語

鋼—竹組合結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，組合結(jié)構(gòu)不僅性能

優(yōu)良，而且更為綠色，更為經(jīng)濟環(huán)保。課題組通過有限元軟件ABAQUS建立模型來研究不同的螺栓排列方式對組合結(jié)構(gòu)承載力的影響，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論:1)對組合柱施加荷載的過程中，五餅形、一字形和梅花形等螺栓排列方式的組合柱的荷載—位移曲線的彈性階段基本吻合，說明建立的ABAQUS模型準確可行。2)螺栓排列方式對組合柱承載力幾乎無影響，為后續(xù)鋼—竹組合結(jié)構(gòu)研究提供參考依據(jù)。

[1] 張秀華，鄂 婧，李玉順,等.重組竹抗壓和抗彎力學性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2016，46(1):7-12.

[2] 李玉順，張家亮．鋼竹組合構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)體系研究進展[J].工業(yè)建筑，2016，46(1):1-6，19．

[3] 丁健偉.冷彎薄壁型鋼-竹木復合板工字型組合柱軸壓性能研究[D].南京:南京林業(yè)大學,2013.

[4] 趙衛(wèi)鋒,張武東,周 靖，等.薄壁方型鋼管-竹膠板組合空芯柱軸心抗壓性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(6):37-45.

[5] 張武東.薄壁方型鋼管-竹膠板空芯組合柱軸壓力學性能研究[D].湘潭：湘潭大學,2014.

Influence of bolt arrangement on bearing capacity of steel-bamboo composite column★

Yang Jiaqi Zhang An Wang Lan Han Bo Wang Wei Zhang Xiuhua

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper adopts ABAQUS, the finite element software to establish the model of thin-walled cold-formed steel-regrouping bamboo composite column, identifies its loading capacity and boundary conditions, and analyzes the influence of the bolt arrangement on the loading capacity of the combined column, so as to provide some reference for the research on the structure.

steel-bamboo composite column, finite element analysis, bolt arrangement means, bearing capacity

1009-6825(2017)14-0022-02

2017-03-06★:國家級大學生創(chuàng)新項目(項目編號：201610225058)

楊佳奇(1995- )，男，在讀本科生; 張 安(1996- )，男，在讀本科生; 王 蘭(1996- )，女，在讀本科生; 韓 波(1994- )，男，在讀本科生; 王 維(1995- )，男，在讀本科生; 張秀華(1970- )，女，碩士生導師，副教授

TU312

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