圓竹- 混凝土組合柱軸壓性能分析

王 露 游 珊 劉 陽(yáng) 曾 妮

（武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢430065）

竹材資源豐富,生長(zhǎng)周期短,可再生,可降解,是一種力學(xué)性能良好的綠色建筑材料。在綠色生態(tài)住宅發(fā)展的推動(dòng)下,竹材在建筑行業(yè)中的應(yīng)用研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)圓竹、竹片、竹條以及膠合竹材、重組竹等加工制品的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究,為竹材的發(fā)展應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。此外,竹材常與木材、鋼材、混凝土等組合應(yīng)用于實(shí)際工程中[1],體現(xiàn)了竹材應(yīng)用的豐富性。

本文開(kāi)展圓竹- 混凝土組合柱的軸壓性能試驗(yàn),并采用ANSYS 軟件建立圓竹- 混凝土組合柱的有限元模型,提出竹混結(jié)構(gòu)的有限元分析方法,推廣竹混組合結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）圓竹：湖北咸寧4 年生毛竹,含水率約為12%～15%,將同一根毛竹的無(wú)節(jié)部位加工成長(zhǎng)度為10cm 的圓竹管6 個(gè)。

（2）圓竹- 混凝土：填充圓竹管的混凝土按標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊強(qiáng)度等級(jí)C30 制作條件制作[2],混凝土立方體試塊在自然條件下同圓竹- 混凝土一并養(yǎng)護(hù)28 天,強(qiáng)度等級(jí)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。圓竹- 混凝土試件如圖1。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《圓竹物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[3],測(cè)量圓竹- 混凝土試樣兩端截面的外徑,精確至0.01mm,計(jì)算試樣的截面面積；將試樣放置在試驗(yàn)機(jī)上,調(diào)整至中心位置,施加不大于100N 的預(yù)荷載,勻速加載,使試樣在1 至2 分鐘內(nèi)破壞,記錄試樣破壞的最大荷載,精確至10N。加載裝置如圖2。

圖1 圓竹- 混凝土試件

圖2 加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

試件加載初期,圓竹- 混凝土組合柱開(kāi)始受壓,發(fā)出清脆的撕裂聲,混凝土與圓竹交界處出現(xiàn)裂縫,管壁輕微隆起。隨著荷載的增加,圓竹管壁產(chǎn)生豎向裂縫并逐漸延伸,混凝土周身受壓破壞。荷載繼續(xù)增大,圓竹管壁沿豎向完全裂開(kāi),達(dá)到極限承載力,試件完全破壞。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 圓竹- 混凝土組合柱軸壓承載性能試驗(yàn)結(jié)果

3 有限元分析

3.1 材料參數(shù)

竹子是天然的中空、薄壁結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的物理力學(xué)特性。在空心圓竹管內(nèi)填充混凝土可顯著提高圓竹的極限承載力及抵抗變形的能力。試驗(yàn)研究表明,圓竹- 混凝土組合試件在加載初期,圓竹和混凝土表現(xiàn)為共同承擔(dān)荷載和抵抗變形,應(yīng)力應(yīng)變基本一致。因此,在有限元分析中,圓竹和混凝土均可視為理想彈性體。參考相關(guān)文獻(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果,圓竹和混凝土的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 單元類(lèi)型

表2 材料參數(shù)

根據(jù)圓竹- 混凝土組合柱的試驗(yàn)結(jié)果及材料屬性,有限元模型中的圓竹和混凝土均采用八節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元Solid45。本單元可定義八個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)分別沿著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X 向、Y 向、Z 向平移的自由度。

3.3 模型建立

共設(shè)計(jì)了6 個(gè)圓竹- 混凝土組合柱受壓模型,試件尺寸同表1 的試驗(yàn)結(jié)果。采用實(shí)體建模方法對(duì)圓竹- 混凝土組合柱模型進(jìn)行建立,實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分采用掃略（VSWEEP）的方式。圖3 為圓竹- 混凝土組合柱模型的網(wǎng)格劃分示意圖。

本文主要研究圓竹- 混凝土組合柱的軸壓性能,在試件的頂端施加面荷載,加載過(guò)程中采用荷載控制加載的方式。有限元分析模型中的邊界條件設(shè)定為底端固定,頂端加載,固定端x、y、z 軸方向的位移和轉(zhuǎn)角均為0,加載端沿z 軸進(jìn)行加載,x、y軸方向的位移為0。圖4 為圓竹- 混凝土組合柱的應(yīng)力分析云圖。

圖3 圓竹- 混凝土組合柱模型的網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 圓竹- 混凝土組合柱的應(yīng)力分析云圖

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

圖5 H-1-1 的位移分析云圖

圖6 H-2-1 的位移分析云圖

圖7 H-3-1 的位移分析云圖

分析圓竹- 混凝土組合柱模型的有限元計(jì)算結(jié)果,選取了3 個(gè)有代表性的圓竹- 混凝土組合柱模型繪制位移云圖,見(jiàn)圖5、圖6、圖7。

表3 中列出了圓竹- 混凝土組合柱在試驗(yàn)和有限元模擬中的軸向最大位移值。數(shù)據(jù)顯示,有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,證明了有限元分析的可行性。

表3 圓竹- 混凝土組合柱有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）混凝土可顯著提高組合試件的極限荷載,且圓竹- 混凝土試件直徑越大,極限荷載越大。

（2）ANSYS 有限元模擬的圓竹- 混凝土組合柱的位移值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,可用于理論研究。

（3）圓竹- 混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性還需進(jìn)一步研究,為其作為工程建筑構(gòu)件的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。