预应力腹板开洞钢-木组合梁抗弯性能研究

陈智强

摘 要：【目的】为了研究体外预应力腹板开洞钢-木组合梁在四点弯曲静载作用下的变形和受力性能。【方法】通过有限元软件ABAQUS建立三维实体模型，研究预应力钢绞线布置形式和洞口形状等参数对组合梁刚度、变形和承载能力的影响规律和程度。【结果】结果表明：设置预应力钢绞线可以显著提高组合梁的刚度和承载力，使折线型的初始刚度和屈服承载力分别增强41%和25%，直线型效果次之；未设置预应力的组合梁跨中洞口处容易发生应力集中和较大变形；洞口形状影响洞口区域应力重分布情况，长方形洞口底部两侧容易出现塑性铰，正方形洞口这种现象得到部分改善，圆形洞口底端钝角容易发生应力集中和变形。【结论】选择合适的预应力钢绞线布置形式和洞口形状可以显著提高腹板开洞对钢-木组合梁刚度和承载力，减少变形程度。

关键词：钢-木组合梁；腹板开洞；体外预应力；非线性有限元

中图分类号：TU398+.6   文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2024）03-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.013

Research on Flexural Performance of Steel-Wood Composite Beams with Prestressed Web Holes

CHEN Zhiqiang

（College of Civil Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 655024， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the deformation and mechanical properties of external prestressed steel-wood composite beams with web holes under four-point bending static load. [Methods] Three-dimensional solid model was established by finite element ABAQUS to study the influence of prestressed steel strand layout and hole shape on the stiffness， deformation and bearing capacity of composite beams. [Findings] The results show that the stiffness and bearing capacity of the composite beam can be significantly improved by setting prestressed steel strand， and the initial stiffness and yield bearing capacity of the curved beam can be increased by 41% and 25% respectively， followed by the effect of the straight beam. Stress concentration and large deformation are easy to occur at the opening in the span of composite beams without prestressing. The shape of the hole can redistribute the stress in the area of the hole， the plastic hinge is easy to appear on both sides of the bottom of the rectangular hole， the phenomenon of the square hole is partially improved， and the obtuse angle at the bottom of the round hole is easy to occur stress concentration and deformation. [Conclusions] Selecting the proper layout of the prestressed steel strand and the shape of the opening area can significantly improve the stiffness and bearing capacity of the steel-wood composite beam with web holes and reduce the degree of deformation.

Keywords： steel-wood composite beams; webholes; externalprestressing; nonlinear finite element

0 引言

建筑結构中由于工程安装和消防需求，通常在腹板开洞，以供电路系统、供热制冷和通风管道等穿过，以增大建筑空间净高及保证良好经济效益。由于腹板洞口的存在，组合梁的承载能力和刚度受到明显的削弱和降低［1-2］。

本研究受混凝土预应力结构的启发，采用体外预应力技术对腹板开洞的钢-木组合梁结构进行加固和补强，降低开洞对组合梁力学性能的影响，已有的研究显示效果较为显著。Chen等［3］对预应力钢-混凝土连续组合梁进行研究发现，弯矩和内力重分布程度增大，并提出承载力评估方案。戚家南等［4］通过体外预应力对混凝土梁受剪承载力作用机理进行研究，提出了混凝土受剪承载力计算方法，计算值与试验值比值为0.950，标准差为0.125。李龙起等［5］通过试验对比，研究连续组合梁腹板开洞的内力重分布和塑性饺特性，发现洞口区域不符合平截面假定。目前，国内外对预应力的研究主要围绕钢-混凝土、混凝土和胶合木结构力学性能展开，对于采用体外预应力技术增强腹板开洞钢-木组合梁的研究相对较少。

本文以体外预应力腹板开洞钢-木组合梁为研究对象，采用有限元软件ABAQUS对组合梁钢绞线布置形式和跨中洞口形状等进行非线性有限元分析，研究其对组合梁的承载力、挠度变形、内力分布和破坏模式等受力性能的影响，钢-木组合梁示意如图1所示。

1 有限元模型

1.1 材料属性与本构关系

1.1.1 LVL木材。采用正交各向异性的双折线本构模型和Hill屈服准则，如图2所示。考虑各方向力学性能差异，LVL木材的弹性模量E1、E2及E3为12 157 MPa、426 MPa及426 MPa；剪切模量G12、G13和G23为850 MPa、850 MPa和96 MPa；泊松比V12、V13及V23分别为0.48、0.48和0.22。通过局部坐标指派材料方向，并且忽略单板材胶层影响。

1.1.2 钢材、加劲肋和螺钉。采用理想弹塑性的双折线等向强化模型，如图3（a）所示，屈服准则采用vonMises经典准则。钢材和加劲肋采用200UB25.4材质，弹性模量E为200 GPa，屈服强度[fy]和极限强度[fu]分别为360 MPa和480 MPa；同时直径16 mm固定螺钉的屈服强度[fy]和极限抗拉强度[ft]分别为240 MPa和400 MPa。

1.1.3 预应力钢绞线。采用直径15.2 mm的1860预应力钢绞线，计算公式与本构关系见式（1）和图3（b），弹性模量为195 GPa，密度为[7.8×10-9t/mm3]，泊松比v=0.3，为了研究钢绞线张拉力大小，在外荷载加载前设置一个分析步，并且通过降温法引入预张力，见式（2）。

[ε=σEp+0.002σf0.213.5] （1）

[ΔT=βσαE] （2）

以上式中：[f0.2=0.85fb]；[fe=0.75fb]；[Ep]为预应力钢绞线弹性模量；[fb]为极限应力；[fe]为初始屈服点；[ΔT]为降温变化值；[β]为修正系数；[σ]为预应力值；[α]为膨胀系数取[1×10-5]。

1.2 模型建立与边界设置

在有限元模型中，钢材、螺钉和LVL均采用三维实体C3D8R单元，预应力钢绞线选用的三维桁架T3D2单元，预应力钢绞线与端板采用MPC连接的方式，中部加劲肋选用耦合仅限制U1和U2方向的平动，使预应力筋可以发生相对滑动，法方向选用硬接触，切方向设置摩擦系数0.45，对于组合梁采用简支梁四点弯曲加载方案，设置加载垫板和支撑垫板防止应力集中，如图4所示。

1.3 模型验证与对比

为了验证有限元模型的可靠性，对参考文献［6］中的试验试件进行模拟，并且将两者的荷载—位移曲线和破坏现象进行对比分析，如图5、图6所示。

由图5和图6可知，试验试件曲线和模拟曲线趋势基本一致，吻合情况较好，屈服荷载误差均在10%以内，并且LVL木材底面发生拉伸破坏和连接件螺钉发生剪切变形。由此证明了有限元模型的准确性和可靠性。

2 钢-木组合梁参数分析

2.1 钢绞线布置形式

预应力使腹板开洞钢-木组合梁产生负弯矩与外荷载作用下产生的弯矩相抵消，来達到降低变形提高承载力的作用，预应力初始张拉力为100 kN，布置形式较为直接地影响组合梁的承载力和刚度，分别设置无预应力、折线型和直线型等三种布置方式进行研究。

各工况下的组合梁的荷载—位移曲线如图7所示。由图7可知，设置预应力钢绞线增强措施的组合梁承载力明显优于未设置预应力钢绞线组合梁，折线型相对无预应力初始刚度和屈服荷载分别提高41%和24%，直线型也得到一定程度的增强和改善，具体见表1。

不同布置形式的应力分布如图8所示。由图8可知，在未设置预应力情况下，跨中洞口处应力集中明显，并且下底面在最后发生弯曲破坏；折线型和直线型布置使刚度得到了显著提高，应力集中得到有效改善。

2.2 腹板洞口形状

设置不同洞口形状以满足工程要求，对折线型的布置形式组合梁钢材腹板设置了面积相同的长方形、正方形和圆形等形状，其应力分布如图9所示。

不同洞口形状的组合梁荷载—位移曲线如图10所示。由图10可知，在设置预应力钢绞线后的组合梁跨中，不同洞口形状之间的刚度和承载力差异较小，影响可以忽略。但改变洞口形状可以改善洞口局部区域应力集中的现象，长方形洞口在下端两侧产生了明显的塑性铰，而在正方形洞口这种现象得到部分缓解。由于底部预应力拉力的存在，圆形洞口最下端的钝角处容易发生变形，出现应力集中现象。

3 结论

①有限元模型和试验试件的荷载—位移曲线和破坏形态结果基本吻合，说明模型具有可靠性和有效性。

②设置预应力钢绞线对腹板开洞钢-木组合梁增强效果显著，其中折线型效果最佳，直线型其次。

③洞口形状对于设置预应力的组合梁的刚度和承载力影响较小，但是改变洞口形状对于缓解洞口区域应力集中十分有效。

④在综合考虑预应力布置形式、洞口面积和形状等条件下，可以有效改善钢-木组合梁由于腹板开洞造成的承载能力削弱的影响，同时保证加固措施的可操作性和经济性。

参考文献：

［1］蒋伟，廖文远，刘德稳，等.洞口形状对腹板开洞钢-混凝土组合梁的受力性能影响分析［J］.建筑科学与工程学报，2023，40（3）：61-69.

［2］陈国，于云飞，李祥，等.定向刨花板加固腹板开洞竹木工字梁力学性能研究［J］.农业工程学报，2018，34（23）：260-266.

［3］CHEN S， WANG X， JIA Y. A comparative study of continuous steel–concrete composite beams prestressed with external tendons： experimental investigation［J］. Journal of constructional steel research， 2009， 65（7）： 1480-1489.

［4］戚家南，王景全，吕志涛.体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法研究［J］.建筑结构学报，2015，36（1）：92-97.

［5］李龙起，周东华，廖文远，等.腹板开洞钢-混凝土连续组合梁塑性铰及内力重分布试验研究［J］.工程力学，2015，32（11）：123-131.

［6］HASSANIEH A， VALIPOUR H R， BRADFORD M A. Experimental and numerical study of steel-timber composite （STC） beams［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2016， 122： 367-378.