基于ABAQUS的胶合竹木梁受弯性能分析

苏 杰，彭 鹏，李启航

基于ABAQUS的胶合竹木梁受弯性能分析

苏 杰，彭 鹏，李启航

（中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004）

文章建立了胶合竹木梁的有限元分析模型，从竹板布置位置、竹板数量以及梁截面高度等方面分析胶合竹木梁受弯性能，并将分析结果与试验结果比较分析。结果表明：胶合竹木梁的承载力较纯桉木LVL梁提高了31.4%~133.3%；胶合竹木梁模拟值与试验值吻合较好；胶合竹木梁的抗弯刚度比桉木LVL梁有明显的提高；相同截面不同竹板布置，梁上下各布置一层竹板刚度要明显大于梁底布置一层竹板；竹板布置相同截面高度不同，随着梁截面高度的增大，梁的抗弯刚度增加明显；梁截面相同，底部竹板布置越多对梁刚度提高不明显。

单板层积材（LVL）；胶合竹木梁；承载力；抗弯刚度；有限元

引言

单板层积材（Laminated Veneer Lumber，简称LVL)是由原木为质料旋切或刨切制成单板，经干燥、涂胶后，按顺纹或大部分顺纹组坯，再经热压胶合而成的新型木质复合材料。单板层积材既保留了传统的木材特性，又提高了其材料力学强度和稳定性，具有结构均匀、强度高、韧性大、尺寸稳定性好等优点。由于单板层积材多数由材料力学性能较差的速生木材制作而成，所以其力学性能与钢筋、混凝土这种传统的结构用材相比较，刚度和强度值都相对较低，在大、中跨结构中单板层积材的受弯性能可能难以满足结构用材的需要。

侧压集成竹是将竹材加工成竹片，经过干燥后浸胶，再干燥到要求含水率，然后铺放在模具中，经高温高压而成的新型材料。竹材加工技术的逐渐成熟，尤其是侧压竹技术的完善，再加上侧压竹材料力学性能较木材力学性能优越，使得侧压竹材成为越来越受欢迎的建筑材料。

随着竹材越来越多的应用于工程实际中，用竹材增强胶合木也越来越多，竹材增强胶合木既能提高胶合木的强度，也能提高其刚度。刘伟庆、杨会峰[1~5]等做了多种材料增强胶合木梁的受弯性能研究，得到了增强后的胶合木梁强度比未增强的要大。袁凯宇[6]等人通过对10根碳纤维复合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics，CFRP）增强和未增强的进行了抗弯性能研究并进行对比分析，增强后的较未增强的抗弯极限承载力平均提高了17.8%，并提出了精度较高的极限承载力计算公式。柳红[7]等对42根集成竹板增强进行了受弯性能研究，结果表明，集成竹板增强梁的抗弯极限承载力较未增强的抗弯极限承载力提高了10%~50%，并基于材料的非线性推导了适用组合梁的极限承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合良好。冷予冰[8]以重组竹、胶合竹和云杉为层板材料，设计制作10组共计30根由六层层板胶合成的胶合竹木梁试件，并对其进行受弯性能试验，胶合竹木梁的承载能力较纯云杉胶合木梁有明显的提高。钟永[9]进行了342个桉木试件的抗压试验，分析了试件纹理角度、胶层角度对其抗压强度、弹性模量和破坏模式的影响。

在我国天然林资源匮乏的背景下，可充分利用速生林资源和丰富的竹材资源，生产高性能的现代竹木结构构件。根据单板层积材和重组竹的力学特性，将单板层积材置于梁中间，重组竹置于梁外侧作为受拉层合受压层，令其力学性能大大提高，以应用于工程实际。因此，本文开展重组竹、桉木单板层积材为层板的胶合竹木梁受弯性能试验，利用ABAQUS有限元分析软件对胶合竹木梁进行模拟分析，研究竹板布置位置、竹板数量和截面高度对胶合竹木梁受弯性能的影响，并将已做试件梁测试结果与有限元模型对比分析，论证有限元模型的可行性。

1 数值计算模型

1.1 模型及加载方案设计

共设计了8根梁构件模型，通过改变竹板布置位置、竹板布置数量以及梁截面高度来研究胶合竹木梁的抗弯性能，分组见表1。梁跨为1860 mm，截面分别为50 mm×100 mm、50 mm×120 mm，厚度均采用20 mm的单板进行胶合，本模型采用三分点加载方式进行模拟，即在梁跨三分之一点处施加大小、方向都相同的荷载，模型梁截面见图1（其中绿色阴影部分为侧压竹，每一层厚度为20 mm，其余为桉木LVL）。有限元模型见图2。

表1 模型试件设计

图1 设计模型

图2 梁有限元模型

1.2 材料属性设置

考虑到桉木的径向和切向力学性能相差不大，都明显低于纵向的力学性能，把径向和切向假设为具有相同力学性能，近似为正交各向异性材料，参数简化为9个，见表2。由于侧压竹的各方向的力学性相差不大，可以把侧压竹集成材简化为各向同性，其弹性模量为9670 MPa，泊松比为0.34。采用木结构设计手册[10]上的近似公式计算桉木材料参数。计算公式如下：

表2 材料属性

1.3 装配及分析步

将桉木LVL和侧压竹进行装配成完整的胶合竹木梁构件。模型总共设置两个分析步：初始分析步（Initial）和施加集中荷载分析步（Step-1）。由于胶合竹木梁在加载期间的变形较大，其刚度随其承受荷载的增加是不断变化的，所以把几何非线性打开。

1.4 相互作用及荷载施加

在初始分析步中定义各部件之间的接触，假设桉木之间以及桉木和侧压竹之间不产生相对滑移，故桉木和侧压竹集成材之间以及桉木之间采用Tie约束，并且在梁构件上定义支座约束和边界条件，具体步骤如下：首先，在梁顶和梁底事先分割出支座放置区域，在三分点梁平面定义参考点RP1和RP2，该参考点与分割的支座面采用Coupling约束；其次，在梁底部支座分割处建立参考点RP3和RP4，该参考点与分割的底部支座面也采用Coupling约束；最后在Step-1，按试验最大荷载对模型进行加载。

1.5 单元类型

在考虑计算时间和计算结果精度的情况下，我们将模型网格大小设置为10 mm，所有部件均采用八节点线性六面体单元，减缩积分（C3D8R）。

2 计算结果与分析

2.1 应力云图

选取代表性的几根梁模型绘制应力云图见图3（单位：Mpa）。由图可知，胶合竹木梁在三分点附近应力集中以及梁底部应力较大，容易发生破坏。

图3 梁变形及应力云图

2.2 胶合竹木梁抗弯试验破坏现象验证

胶合竹木梁抗弯试验在中南林业科技大学土木工程学院完成，共做了A1、A2、A4、A8四组，每组2根共8根胶合竹木梁，试验加载过程和加载方案和有限元模拟的条件一样，均采用三分点分级加载方式。试验梁破坏形态见图4所示。

图4 试验梁破坏形态

从A1可以看出桉木LVL梁底部拉断和三分点处木材褶皱破坏，和有限元模拟的A1梁吻合较好；A2梁破坏位置在桉木LVL和侧压竹之间的剪切破坏，也比较符合有限元模拟结果，因为竹材和木材胶合处应力较大，也是容易发生破坏的位置；A4梁破坏发生在梁底部竹材的拉断，与有限元模拟的结果吻合；A8梁破坏发生在木材和竹材胶合面附近，因为木材和竹材胶合面附近处的应力是比较大的，木材容易发生破坏。试验组与模拟组数据对比见表3，从表3数据可知，A2试验组极限承载力比A1试验组提高了31.4%，A4试验组极限承载力比A1试验组提高了83.8%，A8试验组极限承载力比A1试验组提高了133.3%。有限元模拟结果与试验结果吻合较好。

表3 试验与模拟结果

注：挠度误差=（模拟值-试验组）/试验值

2.3 有限元模拟结果对比分析

取胶合竹木梁跨中的挠度为x轴，以2倍的支座反力为y轴，绘制出各梁的荷载—挠度曲线，如图5所示。从图5可以看出，梁截面相同，竹板胶合位置不同，其抗弯刚度变化不明显；竹板胶合方式相同，截面高度不同，其抗弯刚度变化明显。

图5 荷载－挠度曲线

结语

（1）依据理论分析，梁截面相同，纯LVL梁、梁底部胶合一层竹板、梁底部胶合两层竹板和梁上下各胶合一层竹板，其刚度依次增强；竹板胶合位置相同，通过增加梁的截面高度，胶合竹木梁的整体刚度增强明显；

（2）胶合竹木梁的平均承载力较纯桉木LVL梁提高了31.4%~133.3%，其中增加梁截面高度，其承载力提高明显；在不改变梁截面的前提下，通过在梁底部和顶部粘贴竹板也能有效地提高梁极限承载力；

（3）采用ABAQUS有限元分析软件进行分析显示的应力较大的地方与试验现象吻合较好，说明有限元分析的可行性，可以用来预测工程构件最大可能性的破坏区域，已达到提前预防的目的。

[1] Liu Weiqing, Yang Huifeng. Advanced glued laminated construction and its engineering applications[C]// The 8th International Symposium on Structural Engineering for Young Experts (ISSEYE-8). Beijing, China: Science Press, 2004: 698~703.

[2] 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.

[3] 杨会峰, 刘伟庆. FRP增强胶合木梁的受弯性能研究[J]. 建筑结构学报, 2007, 28（1）: 64~71.

[4] 杨会峰, 朱文祥, 郝建东, 等. 体外预应力胶合木梁抗弯性能试验研究[J]. 南京工业大学学报（自然科学版）, 2016, 38（5）: 68~93.

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[6] 柳红, 杨蕾. 竹板增强单板层积材组合梁受弯性能[J]. 林业工程学报, 2019, 4（1）: 45~50.

[7] 冷予冰, 许清风, 王明谦. 胶合竹木梁抗弯性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2019, 40（7）: 89~99.

[8] 钟永, 邢新婷, 任海青. 桉木制单板层积材的抗压强度预测模型[J]. 建筑材料学报, 2014, 17（2）: 355~360.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 木结构设计标准[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2017.

Analysis of Flexural Properties of Glued Bamboo-wood Beams Based on ABAQUS Nonlinear

SU Jie, PENG Peng, LI Qi-hang

(College of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha Hunan 410018, China)

In the paper, the finite element model is used to analyze the flexural properties of glued bamboo-wood beams from the aspects of the beams’ position layout, numbers and section height. The analysis results are compared with the test results, which show that the bearing capacity of glued bamboo beams is 31.4% ~ 133.3% higher than pure eucalyptus LVL beams. The simulated value of the glued bamboo beam is in good agreement with the experimental value. The flexural rigidity of glued bamboo-wood beams is significantly higher than that of eucalyptus LVL beams. When the bamboo boards are set in different layout with the same cross section, the stiffness of the beam with one layer of bamboo boards layed respectively above and below is significantly greater than that of one layer of bamboo boards layed below. When the bamboo boards are set in the same layout with different heights of cross section, the bending stiffness of the beam increases significantly as the cross section height increases. When the beams are the same in cross section, the more bamboo boards are layed at the bottom, the less evidently the stiffness increases.

laminated veneer lumber; glued bamboo-wood beam; flexural stiffness; finite element

2019-12-16

苏杰（1994—），男，江西丰城人，硕士研究生，研究方向：竹木结构研究、组合结构。

TU366.3

A

2095-9249（2020）03-0023-05

〔责任编校：吴侃民〕