预应力胶合木梁受弯性能的有限元分析★

郭 楠 张平阳 左宏亮

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



预应力胶合木梁受弯性能的有限元分析★

郭 楠 张平阳 左宏亮

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

采用ABAQUS软件，建立了有限元分析模型，探求力臂对于胶合木梁受弯性能的影响，得到随着力臂的增加胶合木梁的极限承载力随之增加的结果，有助于优化后续的试验。

胶合木梁，受弯性能，ABAQUS，力臂

1 概述

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中指出，要重点研究开发高效、低成本、大规模农林生物质的培育、收集与转化关键技术。预应力胶合木梁的研究、示范与推广，属于对我国农林生物质材料的高效利用，可以引导建筑行业向更高效、健康的方向发展[1-4]。对于胶合木梁受弯性能研究，一般包括两个方面：实体试验和仿真模拟。实体试验的进行易受到环境、设备、构件数量的影响，具有局限性，很难得到精确的试验结果[5-7]，因此本文通过ABAQUS分析软件进行建模，力求最大程度的还原实体试验中构件的受力情况，探求力臂大小对预应力胶合木梁受弯性能的影响。

2 模型建立

2.1 部件建立

建立ABAQUS模型，首先要建立组成模型的若干部件。正确的建立和简化部件，不仅可以充分描述所分析的物理模型，而且可以大大减少因网格划分异常导致的计算错误，获取构件接近真实的受力状态。在本次建模中，主要模拟五大部件：木梁、预应力钢丝、端部锚固装置、钢垫板以及转向块。

2.2 定义材料

部件尺寸确定后，需要定义材料的本构关系和截面属性。由木棱柱体抗压试验可得，胶合木为弹塑性材料，当其处于弹性阶段时，通过内部任意一点都存在三个相互垂直的对称面，表现为正交各向异性。其具体值将根据GB/T 50708—2012胶合木结构技术规程及木棱柱体抗压试验可得。1570级低松弛预应力钢绞线弹性模量按照GB/T 50010—2010混凝土结构设计规范取值,为2.0×1011N/m2，屈服应力为1.1×109N/mm2。铁靴、钢垫板以及转向块并不是本次建模研究的主要部件，故不需考虑在受力时的变形情况。因此，统一取其质量为7 800 kg、弹性模量为2.0×1012N/m2以及泊松比为0.3。

2.3 部件装配

通过前面的两个步骤，每个部件不仅具有几何特征，还具有了材料属性。但此时，部件是单独存在于各自的界面中的，需要通过创建实体将散落部件进行拼装，形成一个整体，因篇幅问题，仅截取左侧，如图1所示。

为了探究不同力臂下预应力胶合木梁受弯性能，共建立以下2组模型进行模拟试验。

A组通过控制端部锚固位置相同，张弦点位置不同，研究张弦点处力臂对胶合木梁承载能力、破坏形态、变形性能的影响(见表1)。

B组通过控制张弦位置相同，端部锚固位置不同，研究端部锚固处力臂对胶合木梁承载能力、破坏形态、变形性能的影响(见表2)。

表1 A组构件模型基本信息 mm

表2 B组构件模型基本信息 mm

2.4 设置分析步

分析步分为两类：Initial Step——初始分析步和Analysis Step——后续分析步。初始分析步描述的是模型的初始状态，因此在本步中可以设置部件之间的相互关系以及边界条件；后续分析步，描述的是模型随时间变化的过程，在本次建模中需要两个后续分析步：Step-1(预加力阶段)和Step-2(三分点加载阶段)。需注意，在分析步的设置中，初始增量步不宜过大，避免因增量进行多次迭代后仍不收敛而导致的分析中断，本次模拟中，初始增量步设置为0.01。

2.5 施加荷载

在荷载模块下可以定义指定条件，包括边界条件和荷载。

边界条件：左端限制X，Y，Z轴的移动和X，Y轴的转动；右端限制Y，Z轴的移动和X，Y轴的转动。边界条件的设置应在Initial Step中进行，木梁左端被约束的自由度设置为U1=U2=U3=UR1=UR2=0；木梁右端被约束的自由度设置为U2=U3=UR1=UR2=0。

荷载：分为螺栓荷载和集中力荷载。螺栓荷载创建于Step-1中，通过调节长度的方法，使螺杆增长，并带动转向块向下移动，完成钢丝张拉，对梁施加预应力；集中力荷载创建于Step-2中，通过在梁顶三分点正上方的参考点RP-1，RP-2施加集中力，来模拟实际试验中，由千斤顶加压并通过分配梁将力一分为二的加载情况。

2.6 划分网格

有限元的分析，即为一个化繁为简的过程，将无限自由度的模型分解成若干个具有有限自由度的单元，将连续模型转化为离散型模型来分析。依据这样的理论，划分网格数量越多，最终得到的模拟效果也就越好。但是为了减少计算时间，一般我们将布置网格种子密度控制在0.02 m左右。在网格划分之后，应选取相应的网格类型。

3 结果分析

3.1 变形图

为了更好的展现模型的效果，需建立两个工作任务，工作任务一：不进行Step-2，即仅施加预应力并提交作业任务；工作任务二：进行模型的完全分析，得到破坏时木梁与预应力钢丝的应力分布情况，现以SPF-1.1为例，展示分别完成施加预应力阶段和集中力加载完成后的模型的变形图(见图2)。

3.2 变量影响分析

由图3a)可得，施加相同预应力时，随着三分点力臂的增加，其反拱值略有增大，即木梁由于施加上部荷载所产生的一部分变形值将由反拱值抵消，使梁整体挠度值有所减小。观察其荷载—挠度曲线走势，随着三分点力臂的增加，曲线的斜率有所增大，即提高胶合木梁的抗弯刚度。

由图3b)可得，施加相同的预应力时，随着端部力臂的增大，其反拱值变化不大。观察荷载—挠度曲线走势，随着端部力臂的增大，曲线斜率有所增大，略微提高了胶合木梁的抗弯刚度。

3.3 建议力臂值

根据有限元模拟分析结果可得：端部力臂不变，三分点力臂越大，胶合木梁刚度、承载能力以及变形能力都有所提高；三分点力臂不变，端部力臂越大，胶合木梁刚度、承载力以及变形能力皆略有提高。因此，在选择最宜力臂时，须要尽可能的增大三分点力臂，适量增大端部力臂。

就本试验而言，受到端部锚固装置“铁靴”的影响，三分点力臂位置距梁底210 mm为宜，既能保证三分点力臂有效增加胶合木梁的刚度，又可以防止因螺杆过长而导致的瞬间失稳破坏。

4 结语

由有限元分析可得，三分点力臂的增加，能够提高胶合木梁的承载能力、刚度以及变形能力；端部力臂的增加，将会略微提高胶合木梁的承载能力、刚度以及变形能力。

就本试验而言，受到端部锚固装置“铁靴”的影响，三分点力臂位置距梁底210 mm为宜。

[1] 赵 越，杨春梅，齐英杰，等.新中国成立后木结构建筑的发展概况[J].林业机械与木工设备，2012(5):10-12.

[2] 侯桂深.现代木结构房屋的先进性及发展趋势分析[J].产业与科技论坛，2012(23):113-114.

[3] Camille A.Issa,Ziad Kmeid.Advanced wood engineering:glulam beams[J].Original Research Article Construction and Building Materials，2005,19(2):99-106.

[4] 刘伟庆,杨会峰.工程木梁的受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2008,29(1):90-95.

[5] 左宏亮,杨颖伟,郭 楠,等.预应力胶合木张弦梁受弯性能有限元分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2015(3)：166-168.

[6] 张济梅,潘景龙.ANSYS分析张弦木梁的变形性能[J].低温建筑技术,2008(4):70-71.

[7] 曹 海,黄 龙,吴 婧.钢筋增强木梁弯曲性能的有限元分析[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2013(2):228-230.

Finite element analysis on bending performance of prestressed glulam member beam★

Guo Nan Zhang Pingyang Zuo Hongliang

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

The paper applies ABAQUS software, establishes finite element analysis model, explores the impact of forced arm upon glulam member beam bending performance, and concludes that: with the arm force increasing, the ultimate bearing capacity of glulam member beam will increase, which will be good for the optimized test.

glulam member beam, bending performance, ABAQUS, arm force

1009-6825(2017)08-0030-03

2017-01-06

★：国家留学基金委资助项目(201606605044)；国家林业局林业项目科学技术研究项目(41314401)

郭 楠(1978- )，男，博士，副教授； 张平阳(1992- )，女，在读硕士； 左宏亮(1964- )，男，博士，教授

TU366

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