基于ABAQUS的钢木组合梁有限元分析

胡 炀 胡彩华

(1.中南林业科技大学 湖南 长沙 410004；2.湖南省卓众建筑工程有限公司永州分公司 湖南 永州 425000)

一、ABAQUS前处理

(一)H型钢木组合梁建模

如图1该H型钢木组合梁为两块75mm×25mm的落叶松木板夹着一根150mm×75mm的H型钢梁，腹板厚度为5mm，翼缘厚度为7mm，木板与钢梁之间有一层环氧树脂胶，根据这些尺寸参数进行ABAQUS建模，模型图如图2。

图1 H型钢木组合梁正截面示意图

图2 H型钢木组合梁模型示意图

(二)材料本构

采用的材料参数如下：落叶松木输入弹性阶段的参数，选取的弹性参数类型为工程参数，具体参数见表1，木材为各项异性材料，木材材料方向主要分为顺纹(L)、径向横纹(R)、切向横纹(T)三个方向。

表1 木材材料性能参数表

而q235材料的H型钢材料参数如下：弹性模量为210000MPa，泊松比0.3，塑形阶段的参数由参考文献[2]中提取试验的工程应力应变曲线可以查得。

二、ABAQUS后处理

(一)相互作用及载荷

由于H型钢木组合之间有一层环氧树脂胶，所以在H型钢木的有限元分析当中，为了考虑到钢木两种材料之间的粘结滑移性能，所以使用ABAQUS脚本建立三向弹簧单元来模拟胶单元。

ABAQUS的弹簧单元具有两个结点，可以通过设置刚度来确定其线性性能，由于胶层具有三个受力方向，为了模拟H型钢与木板之间的粘接滑移于是每个接触面设置三个方向线性弹簧，分别为接触面法向(垂直于接触面，本文为坐标轴Y方向)、纵向切向(平行于长度钢木组合长度方向并且平行接触面，本文为Z方向)、横向切向(垂直H型钢长度方向并且平行于接触面，本文为X方向)三个方向。

法向及横向切向：这两个方向的接触面的相互作用可以近似的看成只承受压力的的线性弹簧，它的刚度比较大，因此在设置这两个方向的弹簧刚度时，只需要取一个较大值即可。纵向切向：此方向的线性弹簧集中反映了钢木之间的粘结性能，于是根据已有试验取一个近似值即可。

而荷载分配梁和两端的支座钢垫板的材料虽然取成Q235钢，但是为了计算理想化所以将分配梁和支座钢垫板设置为刚体，然后与H型钢木组合梁构件的相互作用设置为绑定。

由于本文的H型钢木组合梁构件的模型中建立了分配梁，所以只需要在分配梁上加载一个竖直方向的位移即可，而两端的支座为了更好的模拟简支梁，所以一端支座设置为限制X、Y、Z轴的平动及转动，而另一端的支座设置为限制Y、Z方向的平动及X、Z方向的转动。对于本文中的模型，X方向为梁构件的横向切向，Y为垂直于梁构件的法向，Z为梁构件的纵向切向。

(二)网格划分

ABAQUS的数据库具有很多种类的单元类型。本文采用减缩积分的实体单元(C3D8R)，虽然相对完全积分精度有所降低，但是考虑到梁构件模型不太复杂，同时也能减少计算时间极大的提高了单次计算的效率。为了减少采用这种单元类型造成的精度损失，将整个模型的网格统一划分为20mm。

三、对比分析及结论

对ABAQUS有限元分析导出有限元模型的跨中荷载挠度值与试验值进行对比，见表2和图3，可以看出前半部分模拟良好，后半部分的曲线也在误差范围内，这是因为试验模型和计算模型之间存在一定的差异，才会造成结果的不同，可能的差异有：木材材料性质、构件的初始缺陷等。

表2 跨中荷载挠度值对比表(/mm)

图3 试验值与模拟值对比分析示意图

因此通过ABAQUS来模拟H型钢钢木组合梁是一种有效的方式，但是必须正确创建部件、设置材料属性、设置相互作用和载荷、划分网格等若干问题，才能确保有限元分析结果的准确性。