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混凝土-木节点力学性能有限元分析

发布于:2024-12-22 20:39
有限元分析

      20世纪的两次世界大战之后,世界范围内钢材紧缺。为了代替钢材在建筑结构中的作用,混凝土-木组合结构逐渐产生。这种组合结构可以用于新建结构或既有木建筑的维修和改造。截至1997年,超过10000m2的木结构楼板使用这种技术进行了加固。同时在波兰、新西兰以及澳大利亚境内也有超过3000m2的木结构房屋及桥梁使用了混凝土-木组合结构体系加固方法。期间包括意大利在内的许多欧洲国家都认可并使用这种技术对旧木结构房屋进行了改造。当时使用这种技术加固既有结构可以节约新建结构一半的费用。
      除此之外,许多穿越森林的路桥多用原木结构直接修建。而原木结构的极限承载能力和延性限制了其结构方面地应用。使用混凝土板与木材的组合结构可以有效改善这种情况。组合结构除了拥有更高的强度和刚度,也可以防止潮湿的水汽腐蚀木材。在瑞士,13m跨度的原木混凝土组合桥梁就是成功的范例。近年来,在芬兰等国家,混凝土-木组合结构被越来越多地应用于桥梁结构,这种技术有效改善了单一结构的缺陷,使使用性能和经济效益完美结合。
      类似于一般组合结构,混凝土-木组合结构的目的在于将两种材料的力学特征优势结合,共同发挥作用。因此其节点锚固性能的优劣决定了组合结构的力学性能,也是国内外学者研究的重点。杭州那泰有限元分析公司将对国内外对混凝土-木组合结构节点的研究进行总结,并对3种典型节点形式的力学性能进行有限元分析,得到混凝土-木组合结构节点形式对力学性能的影响规律。
      在早期的混凝土-木组合结构中,用以连接两种材料的节点大多为木结构中常用的形式。文献显示,最早的组合结构节点采用的就是用以连接木结构的钢钉或铁路道钉。类似的连接构件还有很多被移植到混凝土-木组合结构中。在这些连接构件中,钢钉是最常用的。因此钢钉作为混凝土-木组合结构连接件的力学性能得到学者们的广泛关注。节点根据锚固原理的不同可以分为机械式及黏接式两种。而机械式锚固又可根据锚固形式的不同分为插入式、嵌入式以及混合式3种。
      插入式节点主要由插入木材和混凝土的钢钉进行连接锚固。1989 年,Stevanovic提出了钢钉在组合结构中连接性能的试验研究方法。1993年,Ahmadi 和Saka对不同类型的钢钉进行了剪切和弯曲试验。试验的目的是选择出最适合用于连接混凝土-木组合楼板的钢钉。1996年,Gutkowski和Tser-Ming同样对组合结构中的钢钉进行了剪切和弯曲试验,试验参数包括钢钉直径和贯入长度。根据试验结果得出了这些参数对连接过程中力学性能的影响。同时其他形式的连接构件也被大量采用,例如定位销栓、螺栓或铆钉等。但这些连接方式都有共同的缺点,即需要预先钻孔。
      插入式节点在受力中都会容许混凝土和木材间发生滑移,从而导致组合效果的降低。在简单的销栓类连接构件中,这种劣势更加明显,因此学者们考虑使用环氧树脂和销栓进行组合。首先在木材上钻直径略大于销栓直径的孔,孔中灌入部分环氧树脂,再将销栓插入。这种连接节点的优势在于销栓周围材料的强度和刚度都被有效提高,同时环氧树脂可以填补一些天然缺陷,更有利于节点处的连接锚固。



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