李幗昌,岳祥虎,楊志堅

(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

木材是一種使用歷史悠久的生物材料,具有自重輕、強度高、加工容易等優(yōu)點。近年來,新型工程木制品的出現(xiàn)和國家對綠色建筑的倡導,激發(fā)了對木材廣泛應用的探索,國內(nèi)外學者對木材組合結構進行了大量研究[1]。2014年王香云[2]對兩根原木柱和6根不同管壁厚度的鋼管加固木柱進行了試驗研究;2015年T.Ghanbari等[3]通過軸壓試驗研究了圓鋼管嵌套木柱和CFRP包裹木柱兩種組合結構;2015年劉清等[4]對15根外側(cè)包裹了BFRP布軸壓楊木短柱進行了試驗研究;2015年M.Khelifa等[5]對被CFRP包裹且在四點彎曲荷載作用下的云杉木梁進行了試驗研究;2016年A.Sotayo等[6]對由3根柱兩根梁組成的兩層框架進行了三點抗彎試驗;2016年陳愛國等[7]對9根鋼-木抗彎組合梁進行了試驗研究;2016年曾丹等[8]對5組具有不同長細比的軸壓木柱進行了試驗研究;2017年馬溯源等[9]對外側(cè)包裹BFRP布的圓形楊木軸壓短柱進行了試驗研究;2017年T.G.Ghazijahani等[10]對內(nèi)置不同幾何形狀木材的矩形混凝土軸壓短柱進行試驗研究;2017年褚云朋[11]對36根鋼管木塑軸壓長柱進行了試驗研究;2018年賀俊筱等[12]對3組具有不同高徑比的足尺木柱進行了試驗研究;2019年霍瑞麗等[13]對外側(cè)粘貼碳纖維布圓形軸壓短柱進行了試驗研究。

通過國內(nèi)外眾多學者對木材組合結構的試驗研究、數(shù)值模擬與理論分析可知,木材組合結構的研究主要針對木柱的加固補強和對木梁抗彎性能的改善,而對鋼管、混凝土、木材三種材料的組合研究較少?；诖?筆者所在研究團隊提出了鋼管-木-混凝土組合柱結構形式,在鋼管混凝土中加入木材,利用木材輕質(zhì)高強的特點,有效替換構件核心處的混凝土,大大減少了構件的自身質(zhì)量,有效抑制混凝土宏觀裂縫的開展,同時混凝土能夠抑制木材的纖維撕裂破壞,使木材充分發(fā)揮順紋抗壓性能。

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

筆者共設計了20根鋼管-木-混凝土軸壓短柱,木材的截面形式分為方形和圓形,木材選用順紋抗壓性能較好的落葉松。構件截面形式見圖1,模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖1 鋼管-木-混凝土組合柱截面Fig.1 Section form of steel tube-wood-concrete composite columns

1.2 材料本構關系

注:B為鋼管寬度;t為鋼管壁厚;L為鋼管高度;fy為鋼材屈服強度;fcu為混凝土抗壓強度;d為圓木芯的截面直徑;b為方木芯的截面邊長;Aw為木材的截面面積。

木材采用Bachtel和Norris雙折線順紋受壓本構模型[16]。采用Engineering Constants方法對木材彈性參數(shù)設定,具體借助縱向、徑向、弦向的彈性模量、剪切彈模和泊松比等9個參數(shù)進行定義。借助ABAQUS中Hill’s Potential函數(shù)來實現(xiàn)對塑性階段的木材屬性的定義。

1.3 單元選取與邊界條件

構件中各組成部分均選擇C3D8R實體單元,采用結構化技術對網(wǎng)格進行劃分。在材料屬性設置端板時,考慮把其彈性模量定義為無限大,同時泊松比定義為無限小。

鋼管與混凝土選擇法向硬接觸,切向選擇庫倫摩擦,系數(shù)為0.6[17]。端板與混凝土和鋼管選擇Tie綁定約束,混凝土與兩端蓋板選擇法向硬接觸。木材與混凝土之間的摩擦借鑒文獻[18]木材混凝土之間的接觸方式,與鋼管和混凝土之間的接觸相似采用同性庫倫摩擦[19],木與混凝土之間的摩擦系數(shù)為0.62。

2 有限元結果分析

2.1 荷載-位移曲線分析

構件SCCL-3荷載-位移曲線見圖2。將曲線劃分五個階段:彈性階段、彈塑性階段、塑性強化階段、破壞階段、平緩階段。

圖2 構件SCCL-3荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curve of SCCL-3 members

彈性階段(OA段)。初始加載時,方鋼管、混凝土和木材各自承擔荷載,且都處于彈性狀態(tài)。達到A點時構件達到彈性極限狀態(tài),彈性極限荷載約為極限承載力的67%。

彈塑性階段(AB段)。達到A點后,鋼管進入非線性狀態(tài)但未屈服,混凝土處于非線性狀態(tài),方鋼管與混凝土之間開始產(chǎn)生相互作用,混凝土受到鋼管的約束而處于三向受壓的狀態(tài),其強度得到很大提高,同時木材處于彈性狀態(tài)。到達B點時,鋼管達到屈服應力開始屈服。

塑性強化階段(BC段)。達到B點后,鋼管進入屈服階段,達到b點時混凝土達到極限承載力,鋼管應力開始處于穩(wěn)定狀態(tài)。到達C點時,構件達到極限承載力,而木材彈性階段較長,木材承載力保持近似線性增長,但因木材總體承載比例不大,所以構件整體荷載-位移曲線表現(xiàn)出明顯的非線性。

下降階段(CD段)。達到C點后,方鋼管壁開始出現(xiàn)局部屈曲失穩(wěn),構件中部鋼管對混凝土的套箍作用逐漸減弱。c點之后木材進入彈塑性狀態(tài),木材處于混凝土的包裹下表現(xiàn)出來良好的順紋抗壓性能,木材開始與混凝土產(chǎn)生相互作用,木材處于三向受壓狀態(tài)。d點時木材達到極限順紋抗壓屈服強度,木材分擔荷載達到最大值,d點之后木材因達到極限承載力強度細胞壁開始發(fā)生變形和破壞,木材逐漸被壓皺承載能力開始下降。

平穩(wěn)階段(DE段)。曲線到達D點之后承載力下降幅度變緩,此階段構件殘余承載力可達極限承載力的71%左右。

2.2 應力云圖分析

圖3為構件SCCL-3中混凝土縱向應力云分布圖,圖中A、b、c、d對應圖2中各特征點。

圖3 鋼管-木-混凝土柱混凝土縱向應力分布Fig.3 Longitudinal stress distribution of concrete in steel tube-wood-concrete columns

從圖中可以看出,在A點時,混凝土壓應力沿構件高度分布比較均勻,兩端角部的壓應力值略小,壓應力最大值位于構件中截面附近。A點之后,混凝土處于三向受壓狀態(tài),混凝土強度得到很大提升。b點處,除端部和角部之外混凝土所受壓應力相對均勻,從構件兩端的四分之一處開始出現(xiàn)條狀應力分布,且中部混凝土強度得到明顯提高。在b點以后,混凝土裂縫開始擴大,混凝土慢慢局部被壓碎,所承受的縱向壓應力開始減少。c點時,木材開始進入彈塑性階段,混凝土中部應力下降較多,整體來看混凝土應力下降較緩。d點時,木材達到順紋極限抗壓應力,木材開始破壞,混凝土應力下降開始變快,最終在此處產(chǎn)生較大破壞變形。

構件SCCL-3在各特征點處鋼管Mises應力分布云圖如圖4所示。從圖中可以看出,在A點之前,鋼管承擔荷載呈現(xiàn)彈性增長,三者分別單獨承受豎向荷載,鋼管對核心混凝土沒有產(chǎn)生緊箍效應。達到A點時,鋼管應力分布變化不大,鋼管兩端端部應力相比之下略小。在A點之后,鋼管開始進入非線性階段,但鋼管并未屈服,鋼管應力緩慢增加,鋼管對混凝土產(chǎn)生套箍作用,鋼管處于橫縱向受壓環(huán)向受拉狀態(tài)。達到B點時,鋼管開始局部屈服,鋼管應力開始保持不變,處于穩(wěn)定狀態(tài)。達到C點時,構件處于極限承載力狀態(tài),鋼管應力變化不大,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。達到D點時,構件中部的塑性應變發(fā)展較快,鋼管應力得到局部提升,最終鋼管在中部產(chǎn)生過大的塑性變形。

圖4 不同特征點下鋼管Mises應力分布圖Fig.4 Mises stresses distribution diagram of steel tube at each characteristic points

構件SCCL-3木材順紋應力分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出,在A點時,構件處于彈性狀態(tài),木材也處于彈性狀態(tài),木材整體順紋受壓應力沿高度分布均勻。A點之后,木材全截面順紋壓應力持續(xù)線性增長且分布較均勻。在c點時,木材開始進入彈塑性階段,此時在木材中部和兩端1/4處應力較大。達到c點之后荷載繼續(xù)加載,木材包裹混凝土當中,混凝土向內(nèi)對木材產(chǎn)生擠壓作用,木材處于三向受壓狀態(tài),延長了木材的彈塑性階段,且中截面順紋壓應力得到不同程度的提高。到達d點時,木材達到了極限順紋抗壓應力,木材中部一側(cè)應力較大。隨后木材開始出現(xiàn)局部壓皺破壞,木材截面應力開始下降,但因木材與混凝土作用逐漸加強,木材截面應力下降幅度不大。達到D點時,木材最大程度的被壓密,此時木材應力沿高度方向分布相對均勻,在木材中部內(nèi)部應力偏小。

圖5 鋼管-木-混凝土柱木材順紋應力分布圖Fig.5 Distribution of wood strain stresses in steel tube-wood-concrete columns

2.3 荷載分擔比例分析

構件SCCL-3中鋼管、混凝土、木材單獨承載占構件總荷載的比例與位移關系曲線如圖6所示。分析可知,當構件加載位移達到0.56 mm時,構件達到A點,鋼管和混凝土開始進入非線性狀態(tài),但鋼管還未屈服,木材保持彈性狀態(tài),此時三者承載之比約為8.06∶4.96∶1。當構件加載位移達到1.16 mm時,構件達到B點,鋼管開始屈服,承擔荷載處于穩(wěn)定狀態(tài),此時三者承載之比約為5.29∶3.48∶1,此時木材處于彈性狀態(tài)。到達b點時,混凝土承擔荷載在構件達到極限承載力之前達到最大值,此后混凝土承擔荷載開始下降。達到C點時,構件達到極限承載力,而木材依然處于彈性狀態(tài),此時加載位移為1.56 mm,三者承載之比約為3.89∶2.62∶1,此后混凝土承載能力開始持續(xù)大幅下降。到達c點時,木材進入彈塑性階段,開始與混凝土產(chǎn)生相互作用,承擔荷載持續(xù)增加,但增長幅度不大。到達d點時,木材達到極限順紋抗壓強度,開始發(fā)生破壞并逐漸局部被壓皺,此時構件位移加載到2.9 mm,三者承載之比約為3.41∶1.12∶1,加載達到4.82 mm時,即D點狀態(tài),此時三者各自承載之比約為5.47∶1.13∶1。達到D點之后,各自承擔荷載趨于穩(wěn)定。

圖6 SCCL-3各組成部分承擔荷載曲線Fig.6 Load curves of each component of SCCL-3

3 影響因素分析

3.1 鋼材屈服強度影響

構件鋼材為 Q235、Q355、Q390、Q420時荷載-位移曲線見圖7。從圖中可以看出,在構件加載初期,各構件的初始剛度保持不變。構件極限承載力隨鋼管屈服強度的增大而逐漸增大,Q355構件比Q235構件極限承載力提高了26.9%,Q390構件比Q355構件極限承載力提高了5.5%,Q420構件比Q390構件極限承載力提高了4.5%。鋼材屈服強度由Q235變?yōu)镼355時構件極限承載力提高幅度最大,而鋼材屈服強度依次由Q355到Q420時,構件的極限承載力提升幅度變小。

圖7 不同鋼管屈服強度構件荷載-位移曲線Fig.7 Load displacement curves of members with different yield strength of steel tubes

3.2 混凝土抗壓強度的影響

構件混凝土強度為C30、C40、C50、C60時荷載-位移曲線見圖8。從圖中可以看出,隨著混凝土強度的增大,構件初始剛度增大,極限承載力近似呈線性增長,C40構件比C30構件極限承載力提高了6.5%,C50構件比C40構件極限承載力提高了6.2%,C60構件比C50構件極限承載力提高了6.6%,但構件延性逐漸降低。

圖8 不同混凝土強度構件荷載-位移曲線Fig.8 Load displacement curves of members with different concrete strength

3.3 鋼管壁厚對構件性能的影響

圖9為鋼管壁厚為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm構件荷載-位移曲線。從圖中可以看出,隨著鋼管壁厚的增大,構件初試剛度增大,5 mm壁厚構件比4 mm壁厚構件極限承載力提高了10.2%,6 mm壁厚構件比5 mm壁厚構件極限承載力提高了9.1%,7 mm壁厚構件比6 mm壁厚構件極限承載力提高了9%,構件延性得到明顯提升,但鋼管壁厚增大構件延性提升幅度逐漸減小。到加載后期,隨著鋼管壁厚的增大,構件殘余承載力逐漸增大,增長幅度近似相等。

圖9 不同鋼管壁厚構件荷載-位移曲線Fig.9 Load displacement curves of steel tube members with different wall thickness

3.4 木材截面尺寸的影響

圖10分別是木材邊長為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm和直徑為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm構件荷載-位移曲線。從圖中可以看出,隨著木材截面尺寸增大,圓木芯構件和方木芯構件初始剛度逐漸減小,而圓木芯構件和方木芯構件極限承載力逐漸增大,但增長幅度不明顯,60 mm比40 mm、80 mm比60 mm、100 mm比80 mm圓木芯構件極限承載力依次提高了6 kN、13 kN、19 kN,60 mm比40 mm、80 mm比60 mm、100 mm比80 mm方木芯構件極限承載力依次提高了7 kN、15 kN、10 kN,極限承載力提高不明顯。同時隨著截面尺寸的增大,圓木芯構件和方木芯構件延性逐漸增大,木材截面尺寸越大構件延性越好。

圖10 不同木材截面尺寸構件荷載-位移曲線Fig.10 Load displacement curves of members with different wood section sizes

3.5 木材截面形式的影響

圖11是4組木材截面形式為方形和圓形構件荷載-位移曲線。以方形木材面積為參考,將每一組構件都保持木材截面面積相等。從圖中可以看出,加載初始時,圓木芯構件和方木芯構件初始剛度近似相等。在木材截面尺寸為40 mm、60 mm、80 mm時,方木芯構件與圓木芯構件極限承載力近似相同,木材尺寸較小時,截面形式對構件極限承載力影響較小。當截面尺寸為100 mm時,圓木芯極限承載力略大于方木芯構件,同時方木芯構件延性要好于圓木芯構件延性。

圖11 不同木材截面形式構件荷載-位移曲線Fig.11 Load displacement curves of members with different wood sections

4 結 論

(1)鋼管-木-混凝土軸壓短柱受力階段分為彈性階段、彈塑性階段、塑性強化階段、下降階段和平緩階段。

(2)在方鋼管混凝土柱基礎上,加入木材,組合柱承載力得到輕微提高,構件延性顯著提升。

(3)隨著鋼材強度、鋼管壁厚、混凝土強度提高,構件極限承載力越大。木材截面尺寸越大構件延性越好,且在方鋼管混凝土的約束下,方木芯構件力學性能優(yōu)于圓木芯構件。