朱 坤，王 凱，陳 然，張文加

(1.長春工程學(xué)院，長春 130012； 2.吉林省土木工程抗震減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，長春 130012)

0 引言

木材是中國最傳統(tǒng)的建筑材料，屬于各向異性材料，其優(yōu)點(diǎn)有許多：綠色環(huán)保可持續(xù)、抗震性能好、施工快等；也有很多缺點(diǎn)：受力變形大、易受腐蝕和侵蝕等。

如今，木結(jié)構(gòu)作為一種綠色、環(huán)保、可持續(xù)的材料，越來越受到人們的青睞，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展也逐漸被人們重視。新型木結(jié)構(gòu)通過各種現(xiàn)代手段彌補(bǔ)自身的缺陷，提升各項(xiàng)受力性能，比如膠合木結(jié)構(gòu)可以控制層板數(shù)量來彌補(bǔ)材料本身的缺陷，在一定程度上還能提升木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防止木材的開裂。

木結(jié)構(gòu)普遍強(qiáng)度低、彈性模量小，受力后變形較大，在大跨度空間中使用時(shí)，往往需要較大的截面，造成木材用量大，造價(jià)也較高。然而在一些潮濕環(huán)境中，現(xiàn)在普遍使用的輕鋼桁架結(jié)構(gòu)因腐蝕的影響，必須考慮其代替材料，本文將對大跨度木結(jié)構(gòu)梁的豎向受力性能進(jìn)行理論建模分析，以期對相關(guān)工程有借鑒作用。

1 建立模型

建模思想起源于某工程實(shí)際：某禮堂地處江邊，原屋頂為輕鋼結(jié)構(gòu)，因受到水汽侵蝕而發(fā)生銹蝕，為徹底解決該問題，同時(shí)響應(yīng)國家“改造綠色環(huán)保城市”的號召，順應(yīng)現(xiàn)代建筑“生態(tài)、健康、低碳、綠色”的發(fā)展理念，現(xiàn)在改造升級，擬采用大跨度木結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)屋架。具體布置如圖1所示。

圖1 大跨度木結(jié)構(gòu)梁布置圖

按照設(shè)計(jì)方案，該禮堂木屋架舉架約15 m，長向間距6 m均勻布置木結(jié)構(gòu)梁，短向每根木梁跨徑可達(dá)30 m，木結(jié)構(gòu)梁跨中建立兩支點(diǎn)將梁等分成三段，每段10 m，梁截面尺寸B×H取300 mm×800 mm，支座為鋼筋混凝土牛腿柱，撐桿為經(jīng)過防銹處理的Q345工字型鋼。在ABAQUS建模中采用等比例建模，所選用特征為三維、可變形、實(shí)體、拉伸，因木結(jié)構(gòu)梁被等分成三段，考慮到工程計(jì)算問題，只取其中一段進(jìn)行建模分析，具體模型如圖2所示。

圖2 木結(jié)構(gòu)梁的1/3段模型

本次建模以mm為單位，在ABQQUS系統(tǒng)中有對應(yīng)的單位定義，常見的兩種見表1。

2 定義材料

通過理論分析與計(jì)算，考慮到變性影響和經(jīng)濟(jì)因素，本木結(jié)構(gòu)梁選用南方松膠合木，其重量密度為8×10-6N/mm3，質(zhì)量密度為8.16×10-10N/mm3，木材彈性參數(shù)具體參數(shù)見表2。

表1 對應(yīng)單位的定義

表2 木材彈性參數(shù)指標(biāo)

3 荷載、邊界條件、網(wǎng)格劃分

本模型參考不上人屋面荷載情況，恒荷載(Dead)、活荷載(Live)、雪荷載等考慮不同組合作用的情況，恒荷載(Dead)和活荷載(Live)的施加方式為滿跨均布布置，雪荷載考慮不利布置因素進(jìn)行半跨布置。

恒荷載(Dead)主要包括自重和施加荷載兩部分，考慮不上人屋面的情況，經(jīng)計(jì)算得到豎向均布荷載大小為6 kPa；活荷載(Live)考慮不上人屋面的情況經(jīng)計(jì)算得到豎向均布荷載大小為3 kPa；雪荷載取50 a一遇基本雪壓，按照GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值為2 kPa。根據(jù)以上取值，按可變荷載效應(yīng)控制的組合：S=1.2×6+1.4×(3+2)=14.2 kPa；按準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制的組合：S=1.35×6+1.4×3+0.7×1.4×2=13.42 kPa，考慮最不利荷載組合和安全儲備情況模型最終施加豎向均布荷載為15 kPa。

邊界條件依據(jù)實(shí)際工程情況，取一榀單跨木結(jié)構(gòu)梁的1/3段進(jìn)行建模分析，通過簡化模型，最終的邊界條件按照兩端固定和一端固定、一端鉸支兩種情況分別建模。具體模型如圖3～4所示。

圖3 兩端固定

圖4 一端固定、一端鉸支

依據(jù)本工程實(shí)際情況，簡化模型為規(guī)則六面體形狀，考慮到木結(jié)構(gòu)梁為各向異性材料，實(shí)際變形較復(fù)雜，所建仿真模型劃分單元格類型為四面體形狀，布種間距為100 mm。單元格劃分具體如圖5所示。

圖5 劃分單元格

4 結(jié)果分析

通過建模分析發(fā)現(xiàn)，所建大跨度木結(jié)構(gòu)梁有限元模型在豎向均布荷載作用下各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均在理論分析范圍之內(nèi)，所建模型兩端固定(以下簡稱MX 1)和一端固定、一端鉸支(以下簡稱MX 2)具體數(shù)值見表3。

表3 分析結(jié)果的物理性能對比

通過對比發(fā)現(xiàn)大跨度木結(jié)構(gòu)梁豎向受力性能在除邊界條件以外其他情況均相同的情況下，其物理性能指標(biāo)在數(shù)據(jù)上有較大差異，具體分析原因如下。

4.1 應(yīng)力分析

在兩端固定和一端固定、一端鉸支兩種邊界條件下，所建大跨度木結(jié)構(gòu)梁兩個(gè)模型最大應(yīng)力相差0.66 MPa，最小應(yīng)力相差接近1倍。這主要是因?yàn)镸X 1在X、Y、Z3個(gè)方向的位移和繞三個(gè)軸方向的彎矩均受到約束，因此模型在受到豎向均布荷載作用時(shí)，多余的約束條件可以共同作用，使整個(gè)模型協(xié)同受力；MX 2在其中一端缺少Z方向位移約束和繞X、Y軸方向的彎矩約束，整個(gè)模型在正面看近似于一個(gè)無多余約束的靜定結(jié)構(gòu)，在受到豎向均布荷載作用時(shí)，整體協(xié)同受力性能較差，出現(xiàn)局部應(yīng)力較集中的現(xiàn)象。具體應(yīng)力云圖如圖6～7所示。

4.2 應(yīng)變分析

由關(guān)系式σ=E·ε，可知在材料性能相同的情況下，應(yīng)力和應(yīng)變成線性關(guān)系，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，表3中兩個(gè)模型最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的差值分別為MX 1最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的46.67%和45.45%；兩個(gè)模型最大應(yīng)力、最大應(yīng)力的差值分別為MX 2最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的31.82%和31.25%，基本符合理論分析結(jié)果。最小應(yīng)力、最小應(yīng)變相差較大，其主要原因?yàn)槭軉卧駝澐窒拗?，?jīng)理論分析可得：單元格劃分越小，兩者之間的差值越接近。具體應(yīng)變云圖如圖8～9所示。

圖6 MX 1 Mises應(yīng)力云圖

圖7 MX 2 Mises應(yīng)力云圖

圖8 MX 1 Max Principal應(yīng)變云圖

圖9 MX 2 Max Principal應(yīng)變云圖

4.3 豎向位移分析

依據(jù)GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，木結(jié)構(gòu)梁的允許撓度通常為跨長的1/250，按照工程實(shí)際情況，本模型允許撓度為40 mm。所建大跨度木結(jié)構(gòu)梁有限元模型邊界條件均有固定端約束，在豎向均布荷載作用下，此處豎向位移為最小值0；兩個(gè)模型最大位移相差22.12 mm，最大位移差值為MX 1最大位移的102.26%，為MX 2最大位移的50.56%。經(jīng)分析，大跨度木結(jié)構(gòu)梁豎向受力性能在除邊界條件以外其他情況均相同的情況下，豎向位移相差大的主要有兩個(gè)方面原因：一是缺少橫向位移約束，MX 2的一端在Z方向自由移動(dòng)，不能起到有效的拉結(jié)作用；二是缺少繞X軸方向的彎矩約束，MX 2鉸支端在豎向均布荷載作用下無法起到有效的抗彎作用，另一端雖然為固定端，但木結(jié)構(gòu)梁跨度較大，加上木材強(qiáng)度較低，使之對木結(jié)構(gòu)梁遠(yuǎn)處的控制力影響較小。將實(shí)際變形放大30倍，具體豎向位移云圖如圖10～11所示。

圖10 MX 1 豎向位移云圖

圖11 MX 2 豎向位移云圖

5 結(jié)語

本文主要對大跨度木結(jié)構(gòu)梁在豎向均布荷載作用下的受力性能進(jìn)行ABAQUS有限元建模分析，設(shè)置對照試驗(yàn)為兩種不同的邊界條件：兩端固定和一端固定、一端鉸支。通過理論分析和建模分析結(jié)果的對比，驗(yàn)證大跨度木結(jié)構(gòu)梁邊界條件布置的正確性、合理性、有效性，為大跨度木結(jié)構(gòu)梁豎向受力性能的數(shù)值分析和大跨度木結(jié)構(gòu)豎向受力性能的檢測、鑒定提供參考。研究不同邊界條件下大跨度木結(jié)構(gòu)梁在豎向均布荷載作用下的受力性能，得到以下主要結(jié)論：

1)在豎向均布荷載作用下，大跨度木結(jié)構(gòu)梁邊界條件要在合理范圍內(nèi)設(shè)置盡可能多的約束條件，使研究構(gòu)件和連接構(gòu)件協(xié)同受力，避免構(gòu)件局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)在豎向均布荷載作用下，增加大框架木結(jié)構(gòu)梁橫向位移約束和正面法向方向的抗彎剛度，可以有效減小梁的豎向位移。