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预应力胶合木张弦梁受弯性能有限元分析

发布于:2024-09-16 10:49
有限元分析

      在欧美等国家,现代木结构建筑已广泛应用于中低层住宅、低层公共建筑和商业建筑等领域。近年来,木结构又重新走入了我们的视野,且出现了一批采用胶合木技术的现代木结构和钢木组合结构。因此,有理由相信木结构房屋在中国的应用前景将十分广阔.与普通木结构相比,胶合木以缺陷分散、强度高、受力合理等优势,成为现代木结构建筑的首选材料。尽管胶合木优势突出,但普通胶合木梁的破坏形式多为脆性受拉破坏,其抗压强度未能充分发挥,且变形较大。因此,将预应力技术引入到胶合木梁中可以减小梁变形,充分利用胶合木的受压强度,达到发生延性破坏的目的。
      目前,国外对于胶合木梁的研究主要集中在用新型材料加强胶合木上,通过与普通胶合木梁的对比试验评价新型加强胶合木梁的受力性能和破坏形态。国内主要对工程木梁受力时的各种影响因素进行研究,对预应力木梁中预应力的施加方法、挠度的计算等进行了一系列的试验研究和理论分析。上述研究中要么没有在胶合木梁中施加预应力,要么没有在预应力梁中引入胶合木材料。因此,有必要借鉴前人研究成果,对所提出的预应力胶合木张弦梁加以研究。
      杭州那泰有限元分析公司应用大型有限元程序 ABAQUS对所提出的预应力胶合木张弦梁进行有限元分析,对比在集中荷载作用下预应力胶合木张弦梁和普通胶合木梁的挠度、刚度和极限载荷的变化规律,分析预应力筋数量和预加力数值对预应力胶合木张弦梁受弯性能的影响,对该梁的经济性进行评价,为其在实际工程中的应用提供理论依据。
      选取长度为3150mm,跨度为3000mm,截面尺寸为100mm×100mm的预应力胶合木张弦梁为模型,其中胶合木部分的材质为东北落叶松,预应力筋选用直径 7  mm的低松弛1570级预应力钢丝。其中,预应力的施加采用丝扣拧张横向张拉的方式,即通过调整位于梁跨中的张拉杆的伸长量来施加预应力。
      由预应力胶合木张弦梁模型可知,当总预加力数值相同时,预应力筋数量越多每根预应力筋所承担的预加力值越少,张拉杆的伸长量就越小,梁的反拱越小;当预应力筋数量相同时总预加力数值越大张拉杆的伸长量就越大,梁的反拱越大。
      将模型分为 A、B 两组,A 组控制总预加力数值相同,通过改变预应力筋数量研究预应力筋数量对预应力胶合木张弦梁受弯承载能力、挠曲变形的影响。
      设置截面尺寸分别为100mm×100mm 的L0和100mm×165mm的La0两根普通胶合木梁用作对比分析,其中 La0与配置 4 根预应力筋的预应力胶合木张弦梁La2的极限载荷是相同的。B组控制预应力筋数量相同,通过改变总预加力数值研究总预加力数值对预应力胶合木张弦梁受弯承载能力、挠曲变形的影响。模型采用三分点对称加载,即在两组试验梁及试验对比梁的三分点处同时施加大小相同的外部集中力 F。
      木材属于各向异性材料,完全各向异性材料的物理特性需要 21个独立的常数来描述,但由于木材的横纹强度明显低于顺纹强度,而径向与切向的物理特性相差不大,所以假设研究对象是有两个正交对称面的材料,可将其物理特性缩减为 9 个。参考《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708-2012)等资料,按照正交各向异性材料定义胶合木的相关参数。其中,E1、E2、E3分别表示顺纹方向、径向和切向的弹性模量;γ12、γ13、γ23分别代表三个泊松比;G12、G13、G23分别代表3个平面内的剪切弹性模量。
      预应力筋的材料性能按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)进行取值,其中弹性模量E=2.05×105MPa,泊松比为0.3,屈服强度为1110 N/mm2。垫块采用各向同性的线弹性材料,为避免垫块和胶合木的弹性模量因相差较大而导致计算结果不收敛,因此取其弹性模量 E=2.1×106MPa,泊松比为0.3,以模拟垫块刚度无限大。


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