钢—竹组合柱有限元分析★

张懿婷 卢 佳 于皓晨 冯耀恒 王帅可

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



·结构·抗震·

钢—竹组合柱有限元分析★

张懿婷 卢 佳 于皓晨 冯耀恒 王帅可

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

运用 ABAQUS有限元分析软件，建立了钢—竹组合柱的有限元计算模型，考虑几何非线性和材料非线性，分析了钢—竹组合柱的力学性能，探讨了不同钢板厚度对组合结构承载力的影响，为钢—竹组合结构的深入研究提供参考。

钢—竹组合柱，承载力，有限元分析

随着我国经济的飞速发展，人们对衣食住行的标准逐渐提高。近年来，建筑行业越发受到重视，建筑面积不断扩大。然而，建筑能耗也随之增加，水泥、钢筋等建筑材料都是由石料、矿产等不可再生能源提炼出来的，而这些燃料总储量有限，并非取之不尽。这对现代建筑提出了更高要求。因此，绿色、可再生的新型建筑材料在建材行业层出不穷[1，2]。

钢—竹组合结构是由冷弯薄壁型钢和重组竹经过胶粘钉接组合而成。钢材强度高，抗拉性能好，冷弯薄壁型钢是将钢板在冷状态下弯曲而成的成品钢材，截面形式可人工定义，较之传统钢材更加的轻质、经济[3]；重组竹是对竹子进行重新组织并加以强化后得到的新型材料，不仅韧性更好，而且其抗压、抗拉强度均优于普通木材、竹材。组合结构不仅可以充分发挥钢、竹两种材料各自的优点，还能互相补益，很大程度上解决钢、竹材料本身在使用期间存在的应力缺陷。两种材料的有机结合，让组合结构的承载能力进一步提高，并且突破了传统木结构建筑中存在的跨度小、高度低等问题，能够满足现代建筑对材料提出的更高需求，同时也使得钢结构建筑在稳定性和承载力方面得到提高，满足了现代社会对建筑业提出的绿色、可持续发展要求[4,5]。

课题组人员通过运用有限元软件ABAQUS对钢—竹组合柱进行有限元分析，将建模结果与实验结果对比得出结论，并对影响承载力的因素进行了进一步的分析，为后续研究工作提供参考。

1 钢—竹组合柱有限元分析

1.1 钢—竹组合柱有限元模型建立

材料的本构关系是指材料的物理关系，是材料的宏观力学性能的综合反映,是内部的微观机理的宏观表现，可以反映材料的应力应变关系，在分析结构的过程中必不可少。将钢材、重组竹都假定为理想弹塑性材料，本文在选择合理的材料本构关系的基础上，运用ABAQUS对组合柱轴压进行分析，过程分为三个阶段：前处理、分析阶段以及后处理，具体分析步骤为：1)创建几何部件，组合柱截面如图1所示、有限元模型如图2所示；2)定义本构关系，如图3，图4所示，创建截面属性，再将截面属性赋予已创建的部件中；3)装配成体；4)设置分析步；5)定义接触及耦合作用点；6)定义荷载与约束条件；7)划分网格；8)设置监控点；9)提交并运行作业；10)提出分析结果(变形图、云图)，绘荷载—位移曲线图[6]。

1.2 钢—竹组合柱有限元结果分析

通过对钢—竹组合结构进行有限元分析，得到了应力云图，如图5所示。荷载—位移曲线是将试件受到的总荷载与荷载方向产生的位移之间的对应关系，更加宏观的反映出柱子的应力应变等特征。课题组将由组合结构进行试验得到的数据绘成曲线，与有限元分析得到的数据绘成的曲线相对比，制成图6。从结果来看，初期荷载位移曲线接近于直线，认为组合柱处于弹性工作阶段。随着荷载继续增加，二者先后进入屈服阶段，关系呈非线性。总体来看，两者曲线相差无几，走势也几乎相同，吻合度比较高，所以综合来看，上述建模方法可行。

2 钢板厚度对承载力影响分析

通过ABAQUS有限元模拟得到了1.5 mm，2.4 mm和3 mm厚钢板的冷弯薄壁型钢—重组竹组合结构的承载力，并对试件的承载力进行了理论计算。

将试件承载力的ABAQUS模拟值与理论计算值进行了对比分析，如表1所示。

表1 承载力对比

冷弯薄壁型钢厚度/mm1.52.43.0有限元结果/kN254.5341.8399.2理论计算结果/kN241.2324.3378.9误差/%5.505.395.36

经对比发现，有限元分析得到的承载力大于理论计算值，这是因为有限元分析时定义的材料材质均匀，软件在计算时能更好的考虑材料间的相互作用及协同工作的特点，而实际试验时并不是理想状态，有缺陷和误差，所以实际测量出来的承载力偏低。但二者之间的偏差均保持在5%左右，所以分析结果较为可靠。

根据对组合结构承载力计算表格的横向对比分析，可以得出结论，在其他因素相同的情况下，钢板厚度对组合柱的承载力有着明显的影响，随着冷弯薄壁型钢板厚度的不断加大，组合结构的承载力不断提高。

3 结语

钢—竹组合结构是一种新型的组合结构形式，冷弯薄壁型

钢—重组竹组合结构不仅性能优良，而且更为经济环保。本文通过有限元软件ABAQUS建立模型来研究不同钢板厚度对组合结构承载力的影响，经过分析得出以下结论：

1)对组合结构施加荷载过程中，组合结构经历弹性阶段和弹塑性阶段，构件在弹性阶段吻合较好，说明建立的ABAQUS模型准确可行。2)ABAQUS有限元模拟的承载力数值要高于理论计算值，这是因为有限元软件在计算时充分考虑了各材料之间协同工作。3)通过对比试验数据与分析结果，冷弯薄壁型钢—重组竹组合结构的承载力可以由理论计算得到，计算得到的数据与模拟分析的数据很接近，两者得到的曲线吻合较好，平均误差约为5%，说明基于理论分析的组合结构承载力性能评价结果可靠。

[1] 张秀华，鄂 婧，李玉顺，等.重组竹抗压和抗弯力学性能试验研究[J].工业建筑，2016，46(1)：7-12.

[2] 张秀华，鄂 婧，卢 佳，等.钢—竹组合结构的研究现状与前景分析[J].山西建筑，2015，41(25)：30-31.

[3] 曲鹏远，刘永娟，孙长江，等.冷弯薄壁型钢的应用与研究现况[J].中国建筑金属结构，2008(12)：60-61.

[4] 李玉顺，张家亮.钢竹组合构件及其结构体系研究进展[J].工业建筑，2016，46(1)：1-6,19.

[5] 韩添石，李玉顺，张王丽,等.薄壁型钢—竹胶板组合楼板抗弯性能研究[J].森林工程，2010,26(3):54-57.

[6] 潘福婷，王艳华，吴 京.钢木组合竹的有限元分析及其设计[J].阴山学刊(自然科学版)，2016，30(1):26-29.

Finite element analysis of steel-bamboo composite column★

Zhang Yiting Lu Jia Yu Haochen Feng Yaoheng Wang Shuaike

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The finite element calculation model of the steel and bamboo composite column was established by the finite element analysis software ABAQUS, and geometric nonlinear and material nonlinear was considered. The mechanical properties of the steel and bamboo composite column were analyzed. It explores the impact of different steel board thinkness upon composite structure bearing capability. It can provide the reference for the further research of the steal and bamboo composite structure.

steel-bamboo composite column, bearing capacity, finite element analysis

1009-6825(2016)12-0029-02

2016-02-20★：国家级大学生创新项目(项目编号：201510225055)

张懿婷(1995- )，女，在读本科生； 卢 佳(1995- )，女，在读本科生； 于皓晨(1995- )，男，在读本科生； 冯耀恒(1993- )，男，在读本科生； 王帅可(1994- )，男，在读本科生

TU398

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