新型鋼木組合樓蓋抗彎性能有限元分析

唐雯佳 張如玉 李國東

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，鋼木組合結構廣泛的應用于現代木結構，作為一種新型組合結構體系，其意義在于同時發揮鋼材與木材的優點，相互取長補短[1]。新型鋼木組合樓蓋是由冷彎型鋼—膠合木組合梁通過自攻螺釘與OSB板連接成整體共同受力、協調變形的一種組合結構。

目前，國內外學者針對鋼木組合結構做了大量的研究，馬仲[2]對鋼木組合樓蓋在水平荷載下的轉動性能進行了研究，得出了原本為半剛性的樓板因為有了木材的側向加固使得樓板的剛性進一步提高，各項受力能力協調改善的結論。潘福婷[3]對鋼木組合構件的受力性能進行了研究，設計的鋼木組合構件主要是以鋼材為主要受力構件，木板與鋼梁用自攻螺釘相連接，通過有限元分析，得出木材能夠較好的提高鋼材的結論。羅佳鈺[4]提出了一種新型的薄壁型鋼—膠合木組合梁并對其抗彎性能進行了研究，通過數值分析發現薄壁型鋼—膠合木組合梁與普通的膠合木梁相比，受彎極限承載力和跨中撓度變形明顯提高，進而證明薄壁型鋼—膠合木組合梁有良好的抗彎性能。然而，國內外學者針對鋼木組合的抗彎承載力研究較少。

為了研究冷彎型鋼規格尺寸對冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的抗彎承載力的影響，采用考慮材料、幾何以及接觸非線性的ABAQUS有限元模型對試件的抗彎性能進行了模擬分析。

1 有限元模型的建立

為了研究冷彎型鋼的規格尺寸對鋼木組合樓蓋的抗彎承載力的影響，設計3組模型進行在單調靜載下的受力模擬分析。

冷彎型鋼選用C80×50×20×1.5,C80×50×20×2,C100×50×20×1.5三種規格尺寸；膠合木材質為云杉，尺寸為2 400 mm×100 mm×50 mm；OSB為規格材，尺寸為2 400 mm×610 mm×18 mm。其中，模型LG1冷彎型鋼選用C80×50×20×2；模型LG2冷彎型鋼選用C80×50×20×2.5；模型LG3冷彎型鋼選用C100×50×20×2.5。

1.1 冷彎型鋼—膠合木組合梁

冷彎型鋼—膠合木組合梁是由兩個單肢的C型鋼通過自攻螺釘的連接方式拼合成工字形截面梁，再通過環氧樹脂粘鋼膠與異性膠合木梁組成，保證相對的協調變形。在受力過程中，上部膠合木主要受壓，下部冷彎型鋼主要受拉。鋼木組合梁的截面構造見圖1。

1.2 鋼木組合樓蓋

通過自攻自鉆螺釘裝配一塊OSB板，構成新型的鋼木組合樓蓋，因OSB板屬于規格材，采用一塊2 400 mm×610 mm×18 mm具有示范及推廣的意義。鋼木組合樓蓋模型圖見圖2。

2 材料屬性的定義

根據材性試驗設置材料屬性，冷彎型鋼屈服強度為235 MPa，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比為0.3。假定膠合木為正交各向異性材料，參考課題組做過的材性試驗確定膠合木的材料屬性，具體材料屬性見表1。

表1 膠合木材料參數 MPa

18 mm厚的OSB板的材性取值參考文獻[4]，具體材料參數見表2。假定OSB板為各向同性材料，板材的鋪板方式決定了其橫向受力，因此有限元數值模擬時按表2取平行縱向的相關力學性能參數。

表2 OSB板材料參數

在建立冷彎型鋼—膠合木組合梁有限元模型時，為了方便模型的分析，同時能更好的體現模型的受力情況，需要對模型中的結構構建進行如下近似假定：

1)不考慮各個接觸面之間的滑移。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋模型中，各種材料之間的相互接觸應考慮粘接和滑移效應，這樣才能準確模擬。但是冷彎型鋼和膠合木之間以及冷彎型鋼和冷彎型鋼之間的細部變化對整個構件的影響不大，所以不考慮各個接觸面之間的滑移效應。

2)不考慮自攻螺釘的破壞。

因兩片冷彎型鋼之間采用自攻螺釘連接，因自攻螺釘連接處的冷彎型鋼結合良好。在建模時為了簡化模型將自攻螺釘連接位置采用“Tie”的連接方式進行模擬，不考慮自攻螺釘的力學性能。

為獲得鋼木組合樓蓋的抗彎力學性能，對各個模型采用相同的四分點加載方式，即在鋼木組合樓蓋的四分點處同時施加大小相同的外部集中力F，直至試件達到極限狀態為止。各個模型的邊界條件相同，均為一端簡支，一端固定的簡支板，在一端約束X，Y，Z三個方向的位移，另一端約束X和Y兩個方向的位移，其中X方向為沿著鋼木組合樓蓋寬度的方向，Y方向為組合樓蓋高度方向，Z方向為組合樓蓋試件的長度方向。

3 結果及分析

進行有限元分析時，以模型中材料達到極限應變作為組合樓蓋達到承載力極限狀態的標志。通過分析計算獲得所有鋼木組合樓蓋模型加載的過程狀態及極限承載狀態。圖3為模型LG3經ABAQUS分析后所得應力分布狀況。

模型LG1當四分點加載F達到70.40 kN時，冷彎型鋼下翼緣達到屈服應力，F達到138.60 kN時，膠合木梁上翼緣達到極限應變，此時構件的最大跨中撓度為54.80 mm。模型LG2當四分點加載F達到88.60 kN時，冷彎型鋼下翼緣達到屈服應力，F達到150.70 kN時，膠合木梁上翼緣達到極限應變，此時構件的最大跨中撓度為55.20 mm。模型LG3當四分點加載F達到110.50 kN時，冷彎型鋼下翼緣達到屈服應力，F達到198.80 kN時，膠合木梁上翼緣達到極限應變，此時構件的最大跨中撓度為62.10 mm。

由數值模型模擬分析后可知，冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的極限荷載隨鋼材的厚度的增加而增大，隨著鋼材腹板高度的增加而增大。從加載過程中的應力變化情況分析，當組合樓蓋進入塑性工作狀態時冷彎型鋼的下翼緣首先受拉屈服，鋼的上翼緣所受壓應力增大顯著，在一定程度上減少了膠合木中壓應力的增加幅度，當膠合木上翼緣達到極限應變的同時OSB板被壓壞，由此可知這種新型的鋼木組合樓蓋具有較好的承載力和延性，均獲得極大改善。

三組模型的荷載—跨中撓度曲線見圖4，在彈性階段，鋼梁沒有屈服之前，荷載撓度曲線基本呈線性變化，C型鋼腹板高度增加20 mm，鋼木組合樓蓋抗彎承載能力顯著提高31.9%，跨中撓度變形提高12.5%；C型鋼厚度增加0.5 mm，鋼木組合樓板抗彎承載力提高8.73%，跨中撓度變形提高0.73%。

4 結語

通過ABAQUS有限元分析軟件可以得出，新型鋼木組合樓蓋有很好的抗彎承載能力，具有良好的示范推廣意義。其中，增加冷彎型鋼的腹板高度和厚度可以提高組合樓蓋的承載能力，C型鋼腹板高度增加20 mm，鋼木組合樓蓋抗彎承載能力顯著提高31.9%，跨中撓度變形提高12.5%；C型鋼厚度增加0.5 mm，鋼木組合樓板抗彎承載力提高8.73%，跨中撓度變形提高0.73%。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋接近承載能力極限狀態時，下部的鋼構件率先屈服，而后上部的膠合木和OSB板受壓破壞，組合樓蓋破壞時具有明顯的塑性變性特征，組合樓蓋破壞時延性較好。

冷彎型鋼—膠合木組合樓蓋的承載能力與變形性能與組合樓蓋的連接形式有關。關于OSB板與冷彎型鋼—膠合木組合梁的連接采用螺栓還是自攻螺釘、螺栓或自攻螺釘的間距等參數改變對組合樓蓋承載性能影響的研究有待深入。