T形钢-木组合梁受弯性能数值分析

邵志新 翁维素 刘晓东 郭隆乾 杜建婷

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着国家大力发展装配式建筑和倡导绿色节能的政策，木材重新走进人们视野，而胶合木凭借其强度大、形状和截面不受限制等优点逐渐受到人们青睐.胶合木可制作为大跨度构件，常用于体育馆、大型公共建筑的建造.然而纯木梁破坏形态常为梁底受拉破坏，木梁受压性能没有充分发挥，呈现脆性破坏特征，安全性能得不到保障.T形钢-木组合梁是木材和T形钢材共同组合成为的一种新型组合梁式构件，在T形钢腹板两侧放置木材，T形钢翼缘为组合梁的底部，用T形钢的翼缘来承受主要的拉力，腹板通过螺栓或者销钉与木材进行连接，充分发挥木材的受压性能和钢材的抗拉性能.

目前大量学者对钢木组合梁进行了大量的研究，分为两种形式.一种形式是在H型钢上下翼缘放置木材，采用螺栓或者结构胶进行连接.孙洪业等[1]在H型钢上下翼缘处使用结构胶接剂粘贴樟子松木材，以H型钢腹板和翼缘厚度、腹板高度和木材的厚度为参数进行分析，得出H型钢腹板高度对承载能力和抗弯刚度的影响最为显著.杨茹元等[2]在H型钢上翼缘放置木材，采用螺栓连接进行了四点弯曲试验的数值模拟，得出螺栓间距与钢木组合梁的承载能力成反比，当间距为150mm时，组合效率最好.贺洁为[3]在H型钢上下翼缘处放置木板并采用螺栓和环氧树脂胶进行连接，研究组合梁的受力性能，得出型钢尺寸是影响组合梁承载能力的主要因素，截面尺寸越大，组合梁极限承载力越大，跨中挠度越小.Fujita[4]等提出了一种对工字钢周围整体外包胶合木的组合梁，进行受弯试验得出型钢外包胶合木可明显提高承载能力.另外一种形式是采用结构胶、销钉的连接方式将钢板固定到木梁底部或者在木梁底部开槽放置钢筋进行组合.许清风等[5]在木梁底粘贴钢板对木梁进行加固，试验表明在木梁底粘贴钢板可明显提高承载能力，采用螺栓锚固的粘贴钢板加固的木梁承载能力更大.左宏亮[6]在木梁底开槽放置钢筋并对钢筋施加预应力，分析了配置钢筋和预应力筋的胶合木梁的受弯性能.基于以上钢木组合梁结构，本文设计组合了一种新型截面形式，截面形式见下图1，采用有限元软件ABAQUS建立组合梁数值计算模型，探索其在纯弯曲状态下不同因素对组合梁的影响规律.

图1 组合梁横截面图

1 试验设计

试验木材选取国产樟子松胶合木，根据《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708-2012)，胶合木层板厚度通常采用20mm～45mm，不应大于45mm，为了避免开孔出现在胶层处，胶合木梁采用5层进行胶合，每层木尺寸为2800mm×48mm×29.2mm.钢材选取Q235钢，钢板厚度取3mm和5mm，利用焊接技术将两块钢板焊接为T形钢板，并在T形腹板处开孔，开孔直径为6mm，剪力连接件选取直径为6mm，等级为8.8级的高强螺栓，螺栓间距为300mm，螺栓进行双排布置.

共设计4根组合试件，试件总长度为2.8m，计算跨度2.63m，以钢板腹板厚度和翼缘厚度为参数进行四点弯曲数值模拟，试验具体参数见下表1.

表1 试件具体参数

2 有限元模型的建立

2.1 材料的本构关系

2.1.1 木材

木材是一种复杂的非均质各项异性的生物材料，木材里含木节、裂缝等缺陷且受含水率、蠕变现象影响，胶合木采用单板木材进行叠加胶合而成的完成工程木材，对木材中存在影响强度的木节、裂纹等缺陷有分散作用.ABAQUS有限元分析软件中常用的本构模型不能直接模拟出胶合木的特性，需对其本构模型进行简化.文献[7]中分别采用不同木材的本构模型进行胶合木梁受弯性能的有限元模拟，并与试验进行对比，得出采用正交各向异性弹塑性模型比各向异性弹性和各向同性弹塑性模型更好的模拟胶合木梁在受弯过程中力学性能，所以本文采用正交各向异性弹塑性模型来作为木材的本构模型，按照ABAQUS软件提示输入的参数参考文献[8]，见下表2.

表2 木材输入参数

2.1.2 钢板

钢板采用Q235钢材，弹性模型E取203×103N/mm2，泊松比为0.3，按钢结构规范取设计值屈服应力235Mpa.因组合梁发生破坏时，T形钢板翼缘处的应变均小于0.01，钢材处于屈服阶段而未进入强化阶段，因此，本文中钢板视为各向同性的理想弹塑性模型.

2.2 模型建立

2.2.1 单元选取

组合梁由两部分组成，T型钢和钢腹板两侧木材，利用螺栓进行连接.为了提高模型收敛性，钢材、木材和螺栓单元类型均采用八节点线性六面体，减缩积分，沙漏控住的C3D8R单元，该单元在网格发生扭曲时，对分析准确性影响不大，并且不容易发生自锁现象.其中，胶合木梁中因胶合位置处不会出现滑移破坏现象，对模拟采用简化的整体建模形式.

2.2.2 边界条件和相互作用

由于螺栓数量过多，模型整体采用通用接触的方式来增加收敛性，并在通用接触里对T形钢和木材的接触进行独特属性指派，木材与钢材摩擦系数为0.4，螺栓与组合梁摩擦系数为0.2.组合梁一端约束X,Y和Z轴方向的平动，约束X,Y轴方向的转动释放Z轴方向的转动，另一端约束Y，Z方向的平动，释放X轴方向的平动以及Z轴方向的转动.对组合梁进行四点弯曲试验，模型装配整体见下图2.

图2 模型装配整体图

2.2.3 网格划分

在ABAQUS有限元模拟过程中，单元网格的大小是影响模拟所需要花费时长和模拟准确性的重要因素.如果采用较大网格，模型的计算精度就会降低，如果采用较小网格，就需要花费大量时间进行计算，还有可能导致模型的不收敛.所以在有限元模拟中需选取合适的网格密度.

为了划分质量更好的网格，需要对钢板、木材和螺栓进行拆分，本文采用sweep中的Media Axis控制网格属性，增加收敛性.网格划分见下图3.

图3 有限元模型网格划分

3 有限元数据分析

3.1 应力云图

对组合梁施加位移荷载，当木材达到其极限应变时视为组合梁破坏.木材破坏准则分为应力破坏准则和应变破坏准则[9].

应力准则认为木材顺纹抗拉为脆性破坏，而顺纹抗压有较好的塑性，因此对于顺纹受压构件的破坏应以顺纹压应力达到屈服强度极限为界限，而对于抗弯构件，由于受压区木材屈服后仍可继续承载，故破坏应以受拉区边缘纤维应力达到屈服极限为界限.

应变准则认为抗弯构件，当同一截面塑性阶段的最大压应变大于或等于其拉应变时构件破坏.本文所设计组合的T形钢木梁，梁底部钢材翼缘承受了主要的拉应力使木梁承受的拉应力大大减小，梁顶压应力主要由木材承受，故本文采用应变准则来判定木材的破坏界限.以模型STC D为例，有限元模拟结果应力云图4也验证了使用此准则的正确性.

如下图4所示，木材梁顶部应力达到抗压强度，而梁底应力小，故认为木材最大压应变大于其拉应变，木材受压破坏.如下图5所示，钢材跨中翼缘处屈服，通过查看Frame selector，钢材的屈服先于木材达到抗压强度，组合梁的破坏与钢筋混凝土“适筋梁”受拉区钢筋屈服而后受压区混凝土被压碎的破坏特点相近，呈现延性破坏特点.T形钢腹板出现局部屈服，考虑为加载点垫块处产生应力集中所致.

图4 木材应力云图 图5 T型钢应力云图

3.2 承载能力

通过有限元后处理模块，可以得到组合梁的承载能力，选取文献[6]中截面相近的预应力配筋胶合木梁极限承载力最大的试验组合梁作为对比试件，对比试件RS极限承载力为38.3KN.由模型梁极限承载力下表3可知，组合梁与对比试件相比，承载能力显著提高，其中STC A提高最小幅度为41.93%.随着钢腹板厚度的增加，承载能力相应提高；翼缘厚度的增加也对组合梁承载力也有提高作用.

表3 梁极限承载力

3.3 荷载-挠度曲线

在受力初期，T形钢-木组合梁的荷载-跨中挠度曲线的斜率值接近，组合梁的刚度相近.随着荷载的增加，挠度值不再呈现线性状态，组合梁进入塑性阶段.与文献[6]中纯木梁相比，T形钢-木组合梁的整体刚度大大提高，承载能力显著提高，承载力提高幅度为133.3%～184.59%.

由图6(a)可知，当T形钢腹板厚度为3mm，翼缘厚度由3mm增加至4mm，承载能力提高10.37%；由图6(b)可知，腹板厚度为5mm时，翼缘厚度由3mm增加至4mm，承载能力提高4.34%.由图7可知，当翼缘为3mm和4mm时，增加腹板厚度，承载能力分别提高16.9%和10.52%.由以上可知，增加翼缘和腹板厚度对组合梁承载能力都有提高作用，且腹板为3mm时增加翼缘厚度所提高的承载力大于腹板为5mm时增加翼缘厚度所提高的承载能力，翼缘为3mm时增加腹板厚度所提高的承载能力大于翼缘为4mm时增加腹板厚度所提高的承载能力.

图6 不同翼缘厚度下的荷载-跨中挠度曲线

图7 不同腹板厚度下的荷载-跨中挠度曲线

3.4 荷载-应变曲线

在组合梁跨中处取木梁梁顶和梁底各1点、木梁侧3点以及T形钢翼缘处1点作为测点，绘制得到下图8荷载-应变曲线，图中X轴右侧为受拉区，应变为正，X轴左侧为受压区，应变为负.由图8可知，在开始加载初级阶段到梁发生破坏的过程中，各测点的应变值先随荷载的增加而线性增长，随着荷载的继续增加，当T形钢翼缘处发生屈服后，组合梁进入塑性阶段，曲线出现向外偏移的情况.组合梁受拉区的拉力主要由T形钢的翼缘承受，木梁因钢梁的加入，受拉区面积减少，受压区面积增加.由文献[6]可知，胶合木在破坏时，其受压区最顶部层板的压应变为2.5×10-3，对梁底钢筋施加预应力的木梁梁顶压应力为3.9×10-3，本文组合梁STC A--STC D中木梁梁顶的压应变分别为4.61×10-3、5.28×10-3、5.22×10-3、5.19×10-3，随着T形钢板的加入，组合梁梁顶的压应力明显提高，即充分利用了木梁的抗压强度.随着腹板厚度和翼缘厚度的增加，在承载相同的荷载情况下，其应变值变小，即腹板厚度和翼缘厚度的增加对组合梁刚度有加强作用.

图8 荷载-应变曲线

4 结 论

为探究T形钢-木组合梁抗弯性能，利用ABAQUS有限元分析软件对4根参数不同的组合梁构件进行了数值分析，与截面相近的预应力配筋胶合木梁对比试件RS相比，T形钢-木组合梁的抗弯承载力提高41.93%～73.13%.T形钢的加入，使木梁梁顶的压应力明显增高，充分利用了木材的抗压强度.T形钢-木组合梁的承载能力与翼缘厚度和腹板厚度有关,随着腹板厚度和翼缘厚度的增加，组合梁承载能力明显提高.