基于有限元分析的薄壁型鋼—木組合梁受剪性能的研究★

鄧瑞澤 李彤桐 瞿 鈺 方立群

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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·結構·抗震·

基于有限元分析的薄壁型鋼—木組合梁受剪性能的研究★

鄧瑞澤 李彤桐 瞿 鈺 方立群

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對鋼—木組合梁受剪性能不明確的問題，利用有限元分析軟件ANSYS,建立了薄壁型鋼—膠合木組合梁模型，并對比研究了不同的型鋼尺寸、木材截面寬度尺寸、剪跨比λ對工字型薄壁型鋼—木組合梁抗剪承載力的影響規律，為類似研究提供參考。

冷彎薄壁型鋼，組合梁，受剪性能，膠合木

木材作為可再生的建筑材料，其環保性優于磚混結構和混凝土結構。輕鋼結構、木結構等建筑結構形式是目前國外住宅的主要結構形式[1-4]。該結構體系具有結構自重輕，抗震性能好，建造周期短等優勢，能最大限度的實現標準化制作、建造、安裝。普通木梁由于木材的材料強度低，導致其性能難以滿足功能要求，將鋼—木組合在一起可以更充分的發揮兩種材料的優勢，目前，梁在受彎承載性能上的優勢也得到了初步驗證，但關于鋼—木組合梁受剪性能的研究未見文獻明確的報道，其抗剪性能尚不明確。

針對上述問題，利用有限元分析軟件ANSYS建立薄壁型鋼—膠合木組合梁的有限元模型，對比研究不同的型鋼尺寸、木材截面寬度尺寸、剪跨比λ對工字型薄壁型鋼—木組合梁抗剪承載力的影響規律。

1 模型信息

1.1 冷彎薄壁型鋼—木組合梁

冷彎薄壁型鋼—木組合梁是由工字型薄壁鋼與上部的矩形膠合木組合而成的增強木構件，工字型薄壁鋼設置在組合梁的下方，在冷彎薄壁型鋼上翼緣疊合膠合木。截面構造如圖1所示。

1.2 模型幾何屬性和材料屬性

用于分析鋼—木組合梁模型的長度為1 800 mm，結構形式為簡支梁。根據薄壁工字型鋼和膠合木層的斷面尺寸以及剪跨比λ共進行49組分析。其中采用的薄壁工字型鋼的規格Ⅰ為100×100×5×5×5，規格Ⅱ為100×100×4×5×5。采用的膠合木板材的尺寸100 mm×50 mm,100 mm×50 mm,200 mm×50 mm。每組模型分別進行剪跨比λ=4.0,3.0,2.0,1.8,1.6,1.4,1.0的分析。模型的編號為Ln-λ，其中的Ln表示對應截面的組合的模型編號，列于表1中，λ為對應計算的剪跨比。例如L2-1.6表示模型編號為L2的梁剪跨比λ=1.6的分析結果。冷彎薄壁型鋼—膠合木組合梁的模型如圖1所示,同時建立一個截面尺寸為100×150的普通膠合木梁模型LW，作為計算結果的對比。

表1 試驗模型的尺寸信息

1.3 有限元模型的建立

ANSYS中的Beam185單元可以模擬材料破壞時的脆性性質，所以采用Beam185單元模擬型鋼和木。有限元建模時，假定薄壁型鋼為各向同性的均質材料，彈性模量E=205 GPa，屈服強度為235 MPa，泊松比為0.3，采用理想的彈塑性二折線模型模擬其材料的本構關系，其屈服應變1 146 με，極限應變取為9 000 με[5]。

木材屬于各向異性材料，假設研究對象是有兩個正交對稱面的材料，膠合木材質的短期加載實驗數據進行簡化，得到三折線型的本構曲線用于程序分析,見圖2。順紋方向、徑向和切向的彈性模量E1=10 000 MPa,E2=E3=497.51 MPa，3個平面內的剪切彈性模量G12=G13=675 MPa，G23=180 MPa，泊松比0.337。

薄壁鋼—木組合截面梁由膠合木層和薄壁鋼構件組成，實際中組合構件的連接依靠剪力鍵實現良好的機械連接，能保證梁在工作狀態下的各構件的整體性能，在有限元分析時忽略鋼構件與木構件間的滑移，膠合木層與薄壁鋼在接觸面上按完全耦合的方式進行設置。為獲得鋼—木組合截面梁受剪狀態下的力學性能，對各個模型采用兩點對稱加載方式，加載點的位置隨著剪跨比的不同有所改變，對所有梁施加外部集中力F直至試件達到極限狀態為止。各個模型的邊界條件相同，均為一端為固定鉸支座，另一端為可以活動的支座的簡支梁。在計算前在計算模型兩端的支座連接件底板上按簡支梁的受力狀態施加約束，在一端約束X,Y,Z三個方向的位移，另一端則約束X和Y兩個方向的位移，其中X為沿著工字鋼翼緣的方向，Y為沿著工字鋼腹板的方向，Z為沿著試件長度的方向。

2 結果及分析

進行有限元分析時，以模型中鋼或者膠合木達到極限應變作為組合梁達到承載極限狀態的標志。通過分析計算獲得了所有梁模型加載的過程狀態以及極限承載狀態。如圖3所示為模型L1，λ=4.0條件下經ANSYS分析所得的變形及應力分布狀況。

分步加載的計算結果表明，各組模型梁在加載過程中，梁中的薄壁型鋼最先屈服，而破壞起于膠合木材料。

當λ>3.0時，模型梁純彎曲區段的膠合木的壓應變率先達到極限應變，模型的破壞由抗彎強度控制。此時的所有模型梁的彎剪比(彎矩與剪力的比值)為0.60。當模型的λ在1.4～3.0之間時，在模型梁的剪彎段，膠合木的拉應變率先達到極限應變，模型的破壞由膠合木抗拉強度控制。此時的所有模型梁的彎剪比為0.27～0.45。當模型的λ在1.0～1.4之間時，在模型梁的剪彎段，膠合木的壓應變率先達到極限應變，模型的破壞由膠合木抗壓強度控制，此時的所有模型梁的彎剪比為0.15～0.21。總體表現的規律是組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低，對應的受彎承載力逐步升高。

PU，MU，VU，δ為模型在承載力極限狀態下所承受的集中荷載、彎矩、剪力及跨中撓度(見表2)。

表2 L1與L4組模型不同剪跨比條件下計算結果對比

當λ>3.0時，模型梁純彎曲區段的膠合木的壓應變率先達到極限應變，模型的破壞由抗彎強度控制。此時的所有模型梁的彎剪比(彎矩與剪力的比值)為0.60。當模型的λ在1.4～3.0之間時，在模型梁的剪彎段，膠合木的拉應變率先達到極限應變，模型的破壞由膠合木抗拉強度控制。此時的所有模型梁的彎剪比為0.27～0.45。當模型的λ在1.0～1.4之間時，在模型梁的剪彎段，膠合木的壓應變率先達到極限應變，模型的破壞由膠合木抗壓強度控制，此時的所有模型梁的彎剪比為0.15～0.21。總體表現的規律是組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低，對應的受彎承載力逐步升高。

如圖4所示為不同腹板厚度時，模型梁受剪承載力的對比。結果腹板厚度由5 mm增加至6 mm后，腹板面積增量為20%，各組梁的受剪承載力提高了15.6%～18.9%。當膠合木層的寬度由100 mm增加至150 mm時，面積增量為50%，隨剪跨比不同，受剪承載力提高7.4%～6.5%，當膠合木層的寬度由100 mm增加至200 mm時，面積增量為100%，隨剪跨比不同，受剪承載力提高8.5%～11.9%。說明型鋼腹板對組合梁抗剪能力的影響較大。

圖5是7組模型隨剪跨比改變跨中最大撓度的計算結果。結果表明當剪跨比λ在1.6以下時，梁的變形能力很小，當λ>3.0時，梁達到極限狀態時變形能力的增長已不顯著。

與普通木梁相比，L1～L6組梁的受剪承載力提高110.7%～59.8%，變形能力提高230.7%～52.3%。說明鋼木組合梁具有更好的受剪力學性能。

3 結論及討論

采用有限元程序ANSYS對6個不同規格模型試驗梁構進行了受剪性能的研究,主要結論有：1)工字型冷彎薄壁型鋼—木組合梁能大幅改善木梁的承載力和延性。6組工字型冷彎薄壁型鋼—木組合梁計算結果表明，在不同剪跨比的條件下受剪極限承載力提高110.7%～59.8%，極限變形能力提高230.7%～52.3%。2)組合梁的受剪承載力隨著λ的提高而降低。當λ>3.0時，組合梁的破壞由抗彎強度控制。當模型的λ<1.6時，組合梁的破壞由抗剪強度控制。受剪承載力取決于木材的材料屬性。3)組合梁的抗剪承載力與型鋼的腹板厚度以及膠合木的截面尺寸相關。型鋼腹板對組合梁抗剪能力的影響更大。

[1] 木結構設計規范[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2] Jochen Kohler,Staffan Svensson.Probabilistic representation of duration of load effects in timber structures[J].EngineeringStructures,2011,33(2):462-467.

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[5] 狄生奎,宋 蛟,宋 彧.預應力木結構受力特性初步探討[J].工程力學,1999,2(sup):454-457.

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Study on cold-formed thin-walled steel-wood composite beam shearing performance on the basis of finite element analysis★

Deng Ruize Li Tongtong Qu Yu Fang Liqun

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

In light of the ambiguity of steel-wood composite beam shearing performance, applying finite element software ANSYS, the paper establishes thin-walled steel-laminated wood composite beam model, compares and studies the influential law of different steel size, wood section width size, shearing-span ratioλupon I-shaped cold-formed thin-walled steel-wood composite beam anti-shearing bearing capacity, which has provided some guidance for similar research.

cold-formed thin-walled steel, composite beam, shearing performance, laminated wood

1009-6825(2017)17-0028-03

2017-03-29★：大學生創新創業訓練項目計劃(項目編號：201610225202)

鄧瑞澤(1995- )，男，在讀本科生; 李彤桐(1995- )，女，在讀本科生; 瞿 鈺(1996- )，女，在讀本科生; 方立群(1997- )，男，在讀本科生

O241.82

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