新型钢木组合楼盖抗弯性能有限元探究

尹迪

0 引言

近年来，相关学者不断加大钢木组合结构的研究力度，分析新型钢木组合楼盖在水平荷载下的转动性能，获得相应结论，证明了木材的侧向加固，有效提升了楼板刚性，同时通过有限元分析，得知木材能够更好地提高刚性等结论。新型钢木组合结构有效融合钢材强度高、木材可再生建筑材料的优点，更加符合现代建筑结构的需求，大大提高了钢结构建筑的安全稳定性和承载力。

1 研究意义

新型钢木组合楼盖结构体系主要利用彩钢板当作屋面，以木结构为主要结构骨架，促进两者之间相互作用，形成新型结构体系。有限元分析属于当今辅助试验研究的主要手段之一。在实际工作中进行有限元分析，能够有效弥补试验分析耗时、消耗大量人力资源和资金、参数分析局限性等不足之处。楼盖刚度的增加对整个建筑结构刚度产生重要影响，进一步保证了整体结构的安全性和稳定性。因此，新型钢木组合楼盖性能研究具有重要意义。新时期，我国社会经济和科学技术实现双向发展，人们生活品质不断提升，更多地注重绿色建筑发展。新型钢木组合楼盖住宅属于低碳环保建筑，呈现出广阔的发展前景。

2 新型钢木组合楼盖的优势

新型钢木组合楼盖建筑具有自身独特的特点和优势。（1）环保节能。木材自身物理构造独特、导热系数较小，呈现出良好的保温隔热使用性能，能够有效节约能源。部分学者针对木材、轻钢、钢筋混凝土、砖混等结构的生命周期开展能耗对比分析，充分证明了木结构建筑生命周期能源损坏最小。针对木材、钢混结构示范住宅应用过程中一年的采暖、空调耗电量进行模拟研究分析，分析结果表明木结构建筑物相比较钢混结构建筑物耗电量小21.5%。保温效果相同的条件下，木结构建筑消耗的电能和砖混结构建筑相比，是砖混结构建筑的70%左右。因此，木结构建筑展现出节约能源、节省电费成本的优势。另外，部分学者针对木材结构、钢材结构和混凝土结构建筑对自然环境影响程度、全寿命周期能耗进行研究分析，同时对这三种材料水污染、固体废弃物排放、温室效应等相关环境影响进行分析，充分表明了木材对自然环境的影响值最小，同时木结构建筑施工建设过程中几乎没有电焊施工，不会产生噪声污染，展现出较高的安全稳定性，充分体现出木结构建筑环境保护优势。（2）运行成本。木结构建筑相比较于其他结构建筑运行成本较低。木、钢结构建筑构件能够通过相关工厂进行预制，在施工现场能够进行简单的拼装，有利于施工人员迅速操作，提升施工进度，节约人工费用支出，同时木结构和钢结构房屋建成之后能够直接被人们使用，节省装修成本。木结构和钢结构墙体能耗相同的条件下，厚度比钢混结构、砖混结构墙体较小，节省施工原材料，同时施工建设过程中，在墙体或者楼板空腔内部布置所有干线和保温材料，不会占用其他利用空间，相比较我国砖混、水泥建筑使用率高出10～20%左右，有效节省房屋空间，进而有效减少整体成本。木结构、钢结构墙体厚度相对较小、自重轻，能够有效减少对基础的要求，节约房屋建筑施工建设成本。另外，木结构具有节能效果，可有效减少房屋建筑使用过程中采暖、空调能耗，减少整体费用支出。根据相关专家估算，我国采用进口材料施工建设木结构房屋建筑，成本大约4 500 元/m，但是我国胶合板、连接件、防水卷材等相关木结构零配件不断产生标准化和国产化程度，大大降低了轻型木结构建筑整体造价，能够实现1 000 元以下/m。新型钢木组合楼盖结构建筑主要采用彩钢板替代以往木结构板材，作为结构屋面板。彩钢板价格低廉，可有效减少施工原材料费用支出，当木结构材料、构件能够自给自足的情况下，进一步减少材料运输和进口成本，最大程度地减少整个建筑工程造价，获得良好的经济效益。（3）安全稳定性。木、钢结构建筑具有较强的弹性恢复能力，同时自重轻、韧性大，在地震、台风等自然灾害的影响下，建筑结构在基础发生位移的情况下，由于自身的弹性服务，不会出现倒塌等现象。部分学者针对受到地震、海啸、台风影响的木结构房屋进行调查，发现房屋瓦片、墙壁受到严重损坏，但是木架完好保存，人员伤亡和财产损失较少，呈现出良好的抗震、抗弯性能，具有较强的安全稳定性。新型钢木组合楼盖结构建筑属于木、钢结构的结合，有效融合了这两种结构的优点，发挥其最大应用价值，提升整个建筑的安全可靠性。

3 建立有限元模型

国外针对新型钢木组合楼盖结构建筑开展较多试验，但是试验具有较高的经费、构件数目有限，同时试验周期长，通过大量有限元参数计算分析能够有效解决试验问题。有限元分析法主要是将工程结构实体建筑模拟成有限元计算模型，包含节点和单元，需要输入结构材料的不同属性，增加结构边界、约束条件和外荷载等，最终针对有限元模型进行计算分析。本文主要针对新型钢木组合楼盖，研究钢材规格尺寸对抗弯性能的影响，借助ABAQUS 有限元分析软件，有限元分析三种不同规格钢材的新型钢木组合楼盖。试验人员建立有限元模型的过程中，选用冷弯型钢-胶合木组合梁，主要通过两个单肢的C型钢，应用自攻螺钉连接形式拼合成工字形截面梁，同时应用环氧树脂粘钢胶、异型胶合木梁构成，保证其协调变形。上部胶合木在受力的过程中主要受压、下部冷弯型钢在受力的过程中主要受拉。新型钢木组合楼盖主要通过自攻自钻螺钉装配一块OSB 板，创建新型的新型钢木组合楼盖。由于OSB 板属于规格材，应用一块2400×610mm×18mm，呈现出示范推广的意义。新型钢木组合楼盖模型见图1。新型钢木组合楼盖建筑模型相对比较繁杂，创建整个房屋结构，具有较多梁柱杆件、螺栓、自攻螺钉数目，同时要求钢板的连接具体位置和杆件节点相对应，精准控制框架各个杆件结构、屋面板、墙面板节点位置、结构单元大小，有利于连接件的模拟。

图1 新型钢木组合楼盖模型

4 定义材料属性

试验人员开展材性试验定义材料属性，冷弯型钢屈服强度是235MPa，弹性模量E=2.05×10MPa，泊松比是0.3。当胶合木属于正交各向异性材料的情况下，结合课题组开展材性试验有效确定胶合木的材料属性。胶合木材料参数抗压强度为34.59、抗压弹性模量7 218.56、抗拉强度68.7、抗拉弹性模量8 290.14。另外，OSB 板厚度为18mm，其材性取值按照相关标准，材料参数为平行纵向，抗弯弹性模量为5 250MPa、抗弯强度21.2MPa、泊松比0.3；垂直纵向，抗弯弹性模量为1 910MPa、抗弯强度7.85MPa、泊松比0.11。试验人员创建冷弯型钢-胶合木组合梁有限元模型的过程中，为了更加方便模型的分析，更好展现模型受力情况，对模型中的结构创建近似假定。

（1）试验人员在有限元分析过程中，不考虑相关接触面之间的滑移，在冷弯型钢-胶合木组合楼盖模型中，不同材料之间互相接触，需要充分考量粘接、滑移效应，才能有效保证准确模拟。但是，冷弯型钢-胶合木之间、冷弯型钢和冷弯型钢之间出现细部转变的情况下，对整个构建不会产生较大影响。因此，试验人员不用考虑不同接触面之间的滑移效应。

（2）试验人员在有限元分析过程中，不考虑自攻螺钉的损坏情况。冷弯型钢和冷弯型钢之间应用自攻螺钉进行有效连接，保证其更加良好的结合。因此，试验人员在有限元建模的过程中，应用“Tie”的连接方式有效模拟自攻螺钉连接位置，进而有效简化新型钢木组合楼盖有限元模型，不考量自攻螺杆的力学性能。试验人员在实践操作和分析过程中，为了获取新型钢木组合楼盖的抗弯力学性能，应用统一的四分点加载方式，分析不同规格钢木组合楼盖模型。试验人员针对新型钢木组合楼盖的四分点具体位置，同时施加相同大小的外部集中力F，直到试件能够符合极限状态为止。不同模型保持相同的边界条件，都是一端简支、另一端为固定的简支板。另外，各个模型的一端约束X，Y，Z 三个方向的位移，另外一段主要约束X，Y 两个方向上的位移，沿着新型钢木组合楼盖宽度的方向为X方向，沿着新型钢木组合楼盖高度的方向为Y 方向，沿着新型钢木组合楼盖试件的长度方向为Z。

5 新型钢木组合楼盖变形探究

相关学者针对冷弯薄壁型钢钢木组合墙体进行大量的抗剪性能、抗侧刚度理论研究，但是针对新型钢木组合楼盖变形计算研究相对较少。我们根据有限元分析结果，发现楼盖钢板蒙皮效应能够有效提升整个建筑结构抗弯性能，需要试验人员针对新型钢木组合楼盖变形计算进行理论公式探究。新型钢木组合楼盖的顶部受到水平集中力的影响下，结构会出现水平侧移的现象，新型钢木组合楼盖的变形主要包含剪切和弯曲变形。新型钢木组合楼盖侧移采用公式：△=△p+△m。该公式中△为新型钢木组合楼盖水平侧移；△p 为新型钢木组合楼盖剪切变形产生的水平侧移；△m 为新型钢木组合楼盖弯曲变形产生的水平侧移。

新型钢木组合楼盖的剪切变形△p 综合考量屋面钢板自身的剪切变形△a、屋面钢板和木材料连接的自攻螺钉滑移形成的剪切变形△b。新型钢木组合屋面钢板剪切变形产生的水平侧移采用公式表示：△p=△a+△b。新型钢木组合屋面钢板能够有效提升钢木组合楼盖结构的整体刚度，但是木屋架作用相对较小，在推导楼盖自身剪切变形的过程中，充分考虑钢板作用，不考虑木屋架的影响，屋面板自身的剪切变形主要通过扭矩和集中力两个方面产生。自攻螺钉间距不同的情况下，对屋面钢板自身剪切变形具有较大影响。部分相关学者推导冷弯薄壁型钢墙体抗剪公式过程中，充分考虑了自攻螺钉间距的影响，进行相适应的修正。屋面钢板自身产生的剪切变形△a 采用该修正系数，获得相关公式。

图2 自攻螺钉滑移剪切变形

6 结论分析

试验人员进行有限元分析的过程中，以有限元模型中材料符合极限应变，当作新型钢木组合楼盖符合承载力极限状态的标志，试验人员通过分析计算，获取所有新型钢木组合楼盖模型加载的过程和极限承载状态。另外，试验人员结合数值模型模拟分析结果发现，冷弯型钢-胶合木组合楼盖的极限荷载跟随钢材的厚度减少而减小，增加而增大，同时随着钢材腹板高度的减少而减小；增加而增大。我们从加载过程的应力变化状况进行探析，当新型钢木组合楼盖进入塑性工作状态的情况下，冷弯型钢的下翼缘首先第一受拉屈服，冷弯型钢的上翼缘受压应力明显增大，在相应程度上有效减少了胶合木中压应力的增加幅度。胶合木上翼缘实现极限应变的过程中，OSB 板被压损坏。因此，该种新型钢木组合楼盖呈现出良好的延性和承载力，有较大改善。试验人员结合不同新型钢木组合楼盖模型的荷载-跨中挠度曲线进行分析。弹性阶段，钢梁没有受拉屈服之前，荷载挠度曲线呈现出线性变化的状态。新型钢木组合楼盖钢腹板高度增加20mm 的情况下，该楼盖的抗弯承载能力明显提升了31.9%，跨中挠度变形明显提升了12.5%。冷弯型钢板厚度增加0.5 毫米的条件下，新型钢木组合楼盖抗弯承载力显著提升8.73%，跨中挠度变形提升0.73%。

7 结语

本文通过有限元软件分析，新型钢木组合楼盖具有良好的抗弯承载能力，呈现出优良的示范推广作用。冷弯型钢的腹板高度、厚度增加的情况下，有效提升新型钢木组合楼盖的承载能力。冷弯型钢-胶合木组合楼盖达到承载能力极限状态的情况下，下部钢构件首先屈服，之后上部的胶合木、OSB 板受压损坏。新型钢木组合楼盖损坏过程中展现出显著的塑性变形特点，破坏过程中具有良好的延性。冷弯型钢-胶合木组合楼盖的承载能力、变形性能受到新型钢木组合楼盖连接形式的影响。