基于SAP2000的预应力胶合木张弦梁调控效果有限元分析

侯逸青 李 钊 刘丹彤 王汉文 李明芮

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

木结构低碳环保，性能优越，发展前景广阔。为了解决传统胶合木梁变形较大，木材强度不能得到充分利用的特点，界内提出了预应力胶合木张弦梁的使用。但由于施加预应力的程度受到反拱和木材强度的制约，提高的效果有限，采用丝扣拧张横向张拉预应力设备，可以对预应力进行随时调控。在梁承担使用荷载后，再进行预应力调控，可实现胶合木强度的反复利用和高强钢材的重复利用。目前，国外对胶合木梁的研究主要集中在材料的加强上[1-3],通过与普通胶合木梁的对比试验评价新型胶合木梁的受力性能。国内对胶合木梁的研究主要集中在影响胶合木受力性能的各种因素[4,5]，对抗压强度，弹性模量，延性和破坏机理进行了比较和分析,并对预应力施加方式和挠度计算进行了试验与理论分析[6,7]。此外，国内已出现预应力对长期负荷下胶合木梁受力及变形的影响[8]以及预应力筋数量和预应力值对胶竹和木梁影响[9]的相关研究。但是，胶合木材料的抗压强度仍然未得到充分发挥，胶合木梁受弯时易发生脆性破坏。预应力胶合木张弦梁作为一种全新的组合构件，相关的研究还比较少，尚未发现对预应力调控效果的研究。因此，对胶合木张弦梁进行预应力调控效果研究是有极大意义的。

本文利用有限元分析软件SAP2000，结合前期胶合木梁短期受弯试验的结果和选定的胶合木本构关系模型，得到能够反映木材正交各向异性特点的材料本构关系并建立模型。对预应力胶合木张弦梁进行有限元模拟分析，并在更宽的范围内改变预应力调控幅度，得出调控幅度对梁受力性能的影响。

1 建模过程

1.1 预应力胶合木张弦梁概况

前期试验中采用的配件包括胶合木梁、钢丝、端垫板、转向块、螺杆、钢垫板和支座。其中，胶合木梁的规格为3 150 mm×80 mm×100 mm，材质为樟子松，预应力筋采用低松弛1570级预应力钢丝，直径为7 mm。预应力施加采用丝扣拧张横向张拉的方式，千斤顶施加破坏荷载的过程通过对三分点施加集中荷载来实现。试验装置如图1所示。

1.2 本构关系

木材是一种非均质各向异性的材料，其本身比较复杂，需要采用各向异性的弹塑性本构关系进行分析。如图2所示，木材的三条基本力学轴线为纵向、径向和弦向。由于胶合木的生产加工特性，一般不对木材的径向和弦向加以区分，而是将二者统称为胶合木材的横向。本文定义胶合木纤维方向为“1”，径向和弦向分别为“2”和“3”，则有E2=E3，G12=G13=G21=G31，G23=G32，ν12=ν13，ν21=ν31，ν23=ν32。通过典型胶合木棱柱体受压试验结果绘出应力—应变关系曲线，如图3所示，进而得到胶合木的弹性模量、剪切模量及泊松比，结果见表1。

表1 胶合木的各项参数N/mm2

1.3 有限元模型的建立

用SAP2000建立的有限元模型部件包括：胶合木梁、钢丝、端垫板、钢垫板、螺杆和支座。为了便于计算，省略了端部锚具，让预应力钢丝直接锚固在端部垫板上。创建完各个部件后，按照试验梁中的实际位置对其进行组装，装配完成后的预应力胶合木张弦梁见图4。本文采用对螺杆施加应变荷载的方式模拟加载预应力，千斤顶施加破坏荷载的过程通过施加节点集中荷载来实现。

2 合理调控范围研究

2.1 分析工况

在五个试验工况基础上，增加两个新工况，模拟工况的具体参数如表2所示。

表2 模拟工况

2.2 截面应力分布

为了探讨调控幅度对梁截面应力分布的影响，将预应力胶合木梁调控完成时刻的应力云图进行整理和分析，如图5所示，以调控程度为7.5%时的工况为例。同时，整理出胶合木调控完成时刻和破坏时刻的跨中拉压应力，具体数值见表3。

表3 跨中拉压应力具体数值

N/mm2

1)调控完成时刻的应力云图。由应力云图可知，随着胶合木梁调控程度的增加，调控完成时刻，梁底最大压应力趋于增大，梁顶最大拉应力趋于减小，且最大拉应力出现在三分点之间。随着调控程度的增大，三分点间处应力与端部应力相差逐渐减小。这是因为两三分点处存在集中力，产生跨中大，端部小的弯矩分布，而预应力钢丝在两端产生的集中力会产生沿梁数值不变的弯矩作用，预应力钢丝应力越大，越使梁最终弯矩图趋于缓和。

2)调控完成时刻和破坏时刻的跨中拉压应力。由表3可知，调控完成时刻，所有类型的梁，跨中梁顶(底)均受拉(压)，且随着调控程度的增加表现出拉应力减小压应力增大的趋势。在破坏时刻，所有类型的梁梁顶均达到了受压屈服应力，梁底拉应力随调控程度的增加而逐渐减小。

2.3 不同调控程度下梁的承载力

对不同工况下的梁施加破坏荷载，所得梁的承载力见表4。

表4 不同调控程度下梁的承载力

由表4可知，随着调控程度的增加，有限元分析得到的预应力胶合木梁的承载力依次提高，与未调控的梁相比，调控7.5%～45%的梁，其承载力增大了10.31%～40.07%，调控效果明显。