基于ABAQUS的预应力胶合竹木梁受弯性能研究★

刘秀侠　张平阳　郭　楠

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040)



基于ABAQUS的预应力胶合竹木梁受弯性能研究★

刘秀侠张平阳郭楠

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要:采用ABAQUS有限元程序，建立了预应力胶合竹木梁分析模型，从预应力值与预应力钢丝数量两方面，分析了影响预应力胶合竹木梁受弯性能的因素，指出预应力钢丝数量的合理增加可增强其抗弯刚度，预应力值对其抗弯刚度的影响不大。

关键词:预应力，胶合竹木梁，受弯性能，有限元

★:黑龙江省自然科学基金面上项目(项目编号:E201402);国家林业局林业项目科学技术研究项目(项目编号:2014-04)

1　概述

竹、木结构因其节能、环保、宜居等优点受到人们的青睐，作为该结构主受力构件之一，有必要对胶合竹木梁展开研究。然而，纯胶合竹木梁存在变形较大、易脆性受拉破坏及不能充分利用材料强度等问题，因此，本文提出预应力胶合竹木梁。目前，国内外的研究集中在竹木复合材的材性研究［1，2］、胶合竹梁、木梁受力性能和破坏形态研究［3-5］及预应力木梁研究［6，7］，尚无对预应力胶合竹木梁的研究，因此，有必要开展对预应力胶合竹木梁的研究。本文利用ABAQUS有限元程序对预应力胶合竹木梁进行建模分析，研究预应力值及预应力筋数量对预应力胶合竹木梁短期受弯性能的影响，为其在实际工程中的应用提供理论基础。

2　模型基本信息

2．1材料及尺寸

梁跨为3 150 mm，截面尺寸为100×100，采用厚20 mm的重组竹与杨木间隔布置的方式，由于本模型左右完全对称，因此仅建立1/2个模型，如图1所示。钢筋采用直径为7 mm的1570及低松弛预应力钢丝，在三分点通过丝扣拧张横向张拉法施加预应力。

图1　预应力胶合竹木梁

2．2加载方式及梁编号

采用三分点对称加载，即在三分点处施加大小、方向均相同的外荷载。共计9根梁，编号为Lm，n，其中，m表示预应力值;m为1，2，3分别表示预应力为1．987 kN，3．975 kN和5．962 kN;n表示预应力钢丝根数，n为1，2，3分别表示钢丝为2根，4根，6根。

2．3材料属性

考虑到重组竹、杨木的径向及切向特性相差不大，且明显低于纵向特性，近似认为径向与切向特性相同，将其物理特性简化为9个，具体取值参考GB/T 50708—2012胶合木结构技术规范及棱柱体试件抗压试验。对预应力筋，其材料性能按GB 50010—2010混凝土结构设计规范取值。对垫片、张弦螺杆等其他部件，不考虑其弹性变形，将弹性模量取2．0×107N/mm2。需要指出，为建模方便，对4根，6根钢丝的情况，均按2根建模，但将半径等效为4．95 mm及6．06 mm。

2．4分析步

共三个分析步，即初始分析步(Initial)、施加预应力(Step1)及施加集中荷载(Step2)。在Initial，定义各部件间的接触、约束及边界条件，具体如下:在三分点梁顶建参考点，该参考点与垫片采用Coupling约束;在支座位置底建参考点，该参考点与支座所在的线亦采用Coupling约束;钢筋与端部锚固装置及转向块间采用Embedded约束;丝扣拧张横向张拉装置与梁采用Tie约束;梁顶垫片及端锚装置与梁体采用Standard接触。在Step1，采用升温法施加预应力;在Step2，在三分点施加大小均为16 kN集中荷载。

2．5单元类型

在综合考虑计算时间及精度的基础上，将模型网格大小取20 mm。除钢筋采用两结点空间线性梁单元(B31)外，其他部件均采用八节点热耦合六面体单元，三项线性位移，三项线性温度单元(C3D8T)。

3　结果及分析

3．1应力云图

预应力胶合竹木梁的应力云图见图2。因胶合竹木梁的应力远小于钢丝应力，导致在整体应力云图上无法清晰体现胶合竹木梁及预应力钢丝的应力分布，因此分别给出胶合木梁及预应力钢丝的应力云图。由图可知，胶合竹木梁在三分点及端部锚固装置附近应力较大，易发生破坏。

The application of static elastic-plastic analysis in frame structures

Tang XiaogangLv Dongchun
(Anhui Huadian Engineering Consultaing＆Design Co．，Ltd，Hefei 230022，China)

Abstract:This paper elaborated the basic principle of static elastic-plastic analysis method，taking to a frame structure as an example，using the finite element analysis software ETABS，this paper made static elastic-plastic analysis on this structure，evaluated the structure seismic performance，pointed out that the static elastic-plastic analysis method had good engineering practical value and broad development prospects． Applying ABAQUS finite element program，the paper establishes prestressed gluing bamboo beam analysis model，explores factors influencing flexural performance of prestressed gluing bamboo beam from two aspects of prestressed value and prestressed steel quantity，and finally points out that rationally increasing prestressed steel quantity will strengthen its bending-resisting rigidity．In addition，the prestressed value has little impact upon its bending-resisting rigidity．

Key words:static elastic-plastic analysis，capacity spectrum method，frame structure prestress，gluing bamboo beam，flexural performance，finite element

图2　预应力胶合竹木梁应力云图

3．2预应力钢丝数量的影响

以胶合竹木梁跨中某点的位移为x轴，以三分点处集中荷载为y轴，绘制出各梁的荷载—挠度关系曲线，如图3所示。由图3可知，对预应力胶合竹木梁，在一定范围内，当预应力值保持不变时，随预应力钢丝根数的增加，其荷载—挠度关系曲线的斜率增大，梁在相同挠度下所需荷载增加。即预应力钢丝数量在合理范围内的增加，将使预应力胶合竹木梁的抗弯刚度增强。

图3　梁的荷载—挠度关系曲线（一）

3．3预应力值的影响

保持预应力钢丝根数不变时，各组梁的荷载—挠度曲线如图4所示。由图4可知，当预应力钢丝根数保持不变时，随预应力值的增加，其荷载—挠度关系曲线基本重合。即预应力值对预应力胶合竹木梁的刚度影响不大。

4　结语

1)对采用两点张弦及端部锚固装置的预应力胶合竹木梁，在三分点及端锚装置附近应力较大，易发生破坏。2)依据理论分析，对预应力胶合竹木梁，当预应力值保持不变时，预应力钢丝数量在合理范围内增加，将使预应力胶合竹木梁的抗弯刚度增强。3)依据理论分析，对预应力胶合竹木梁，预应力值的改变对其刚度影响不大。4)上述结论仅来自理论分析，尚有待于实际试验的进一步检验。

参考文献:

［1］蒋身学，朱一辛，张齐生．竹木复合层积材结构及其性能［J］．南京林业大学学报(自然科学版)，2002，26(6):10-12．

［2］王泉中，张晓冬，周雪华．湿效应对竹木复合材料刚度性能的影响［J］．浙江林学院学报，2010，27(4):591-594．

［3］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．

［4］Tomi Toratti，Simon Schnabl，Goran Turk．Reliability analysis of a glulam beam［J］．Original Research Article Structural Safety，2007，29(4):279-293．

［5］张济梅，潘景龙，董宏波．张弦木梁变形特性的试验研究［J］．低温建筑技术，2006(2):49-51．

［6］张济梅，潘景龙，董宏波．张弦木梁预应力损失初步探讨［J］．低温建筑技术，2007(6):25．

［7］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):390-394．

Study on flexural performance of prestressed gluing bamboo beam on the basis of ABAQUS★

Liu XiuxiaZhang PingyangGuo Nan
(College of Civil Engineering，Northeast University of Forestry，Harbin 150040，China)

作者简介:刘秀侠(1991-)，女，在读硕士;张平阳(1992-)，女，在读硕士;郭楠(1978-)，男，副教授

收稿日期:2015-10-25

文章编号:1009-6825(2016)01-0048-02

中图分类号:TU366

文献标识码:A