基于ABAQUS的鋼木組合梁有限元分析

胡 煬 胡彩華

(1.中南林業科技大學 湖南 長沙 410004；2.湖南省卓眾建筑工程有限公司永州分公司 湖南 永州 425000)

一、ABAQUS前處理

(一)H型鋼木組合梁建模

如圖1該H型鋼木組合梁為兩塊75mm×25mm的落葉松木板夾著一根150mm×75mm的H型鋼梁，腹板厚度為5mm，翼緣厚度為7mm，木板與鋼梁之間有一層環氧樹脂膠，根據這些尺寸參數進行ABAQUS建模，模型圖如圖2。

圖1 H型鋼木組合梁正截面示意圖

圖2 H型鋼木組合梁模型示意圖

(二)材料本構

采用的材料參數如下：落葉松木輸入彈性階段的參數，選取的彈性參數類型為工程參數，具體參數見表1，木材為各項異性材料，木材材料方向主要分為順紋(L)、徑向橫紋(R)、切向橫紋(T)三個方向。

表1 木材材料性能參數表

而q235材料的H型鋼材料參數如下：彈性模量為210000MPa，泊松比0.3，塑形階段的參數由參考文獻[2]中提取試驗的工程應力應變曲線可以查得。

二、ABAQUS后處理

(一)相互作用及載荷

由于H型鋼木組合之間有一層環氧樹脂膠，所以在H型鋼木的有限元分析當中，為了考慮到鋼木兩種材料之間的粘結滑移性能，所以使用ABAQUS腳本建立三向彈簧單元來模擬膠單元。

ABAQUS的彈簧單元具有兩個結點，可以通過設置剛度來確定其線性性能，由于膠層具有三個受力方向，為了模擬H型鋼與木板之間的粘接滑移于是每個接觸面設置三個方向線性彈簧，分別為接觸面法向(垂直于接觸面，本文為坐標軸Y方向)、縱向切向(平行于長度鋼木組合長度方向并且平行接觸面，本文為Z方向)、橫向切向(垂直H型鋼長度方向并且平行于接觸面，本文為X方向)三個方向。

法向及橫向切向：這兩個方向的接觸面的相互作用可以近似的看成只承受壓力的的線性彈簧，它的剛度比較大，因此在設置這兩個方向的彈簧剛度時，只需要取一個較大值即可?？v向切向：此方向的線性彈簧集中反映了鋼木之間的粘結性能，于是根據已有試驗取一個近似值即可。

而荷載分配梁和兩端的支座鋼墊板的材料雖然取成Q235鋼，但是為了計算理想化所以將分配梁和支座鋼墊板設置為剛體，然后與H型鋼木組合梁構件的相互作用設置為綁定。

由于本文的H型鋼木組合梁構件的模型中建立了分配梁，所以只需要在分配梁上加載一個豎直方向的位移即可，而兩端的支座為了更好的模擬簡支梁，所以一端支座設置為限制X、Y、Z軸的平動及轉動，而另一端的支座設置為限制Y、Z方向的平動及X、Z方向的轉動。對于本文中的模型，X方向為梁構件的橫向切向，Y為垂直于梁構件的法向，Z為梁構件的縱向切向。

(二)網格劃分

ABAQUS的數據庫具有很多種類的單元類型。本文采用減縮積分的實體單元(C3D8R)，雖然相對完全積分精度有所降低，但是考慮到梁構件模型不太復雜，同時也能減少計算時間極大的提高了單次計算的效率。為了減少采用這種單元類型造成的精度損失，將整個模型的網格統一劃分為20mm。

三、對比分析及結論

對ABAQUS有限元分析導出有限元模型的跨中荷載撓度值與試驗值進行對比，見表2和圖3，可以看出前半部分模擬良好，后半部分的曲線也在誤差范圍內，這是因為試驗模型和計算模型之間存在一定的差異，才會造成結果的不同，可能的差異有：木材材料性質、構件的初始缺陷等。

表2 跨中荷載撓度值對比表(/mm)

圖3 試驗值與模擬值對比分析示意圖

因此通過ABAQUS來模擬H型鋼鋼木組合梁是一種有效的方式，但是必須正確創建部件、設置材料屬性、設置相互作用和載荷、劃分網格等若干問題，才能確保有限元分析結果的準確性。