胶合木T梁负弯曲性能试验及有限元分析研究

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随着材料科学的不断进步,胶合木的出现改善了传统木材在建筑结构应用上的不足。作为一种可再生的生态型建筑材料,胶合木因其材料特性和独特的美学价值在现今社会上得到了极大推广。当前,国际上对于胶合木的研究主要集中于其材料力学性能、矩形截面梁及各种组合构件的受力分析等方面,对于其他截面形式的胶合木梁及其负弯曲性能则鲜有研究。与采用栓钉连接的传统矩形截面梁相比,T形截面梁能提高构件的承载力与刚度,避免桥面板和梁之间的结合面产生滑移及应力集中现象,有效提高构件的整体受力性能。本文依托国家国际科技合作专项(2014DFA53120)“大跨重型工程木结构材料制造及应用技术研究”和国家林业公益性行业科研专项后续课题“T形截面胶合木梁弯曲性能研究项目”(201304504-3),开展了胶合木T梁负弯曲性能的研究。选用兴安落叶松为原材料,聚氨酯结构胶为胶粘剂,设计制作了两组不同剪跨比的胶合木T形截面梁试件。采用现场试验、理论分析及有限元模拟相结合的方法研究了胶合木T梁负弯曲性能,探讨了其破坏机理,研究成果可供工程应用参考。主要创新成果如下:(1)以胶合木T梁的剪跨比、跨高比为参数,设计制作2组共计6根平行胶合木T梁试件。将T梁反转成倒T梁,在两端简支条件下跨中加载产生正弯矩,使肋板受压、翼板受拉,模拟连续T梁跨中支承截面的受力性能。对两组构件进行静力弯曲破坏性试验,实测分析了各级荷载下两组试件的应变、跨中挠度、极限承载力、抗弯刚度及延性系数,观察分析了试件的破坏模式和机理。结果表明:两组试件极限破坏形态均为顺纹剪切破坏。当剪跨比大于6时,胶合木T梁发生剪切破坏这一现象基本符合《美国木结构规范ASTMD198》关于胶合木矩形梁破坏模式与剪跨比间关系的结论,但不完全一致,说明T形梁的破坏模式与矩形梁不完全一致;B组与A组试件相比,屈服荷载降低9.7%、跨中屈服位移提高27.5%、极限抗弯承载力降低10.4%、跨中极限位移提高42.7%、抗弯刚度降低36%、延性系数提高22.4%,表明随剪跨比的增大,构件的极限承载能力和抗弯刚度降低,但延性系数提高;两组试件的荷载应变曲线在屈服点之前呈比例关系,满足平截面假定;两组试件均存在剪力滞效应,跨中截面翼板正应力横向分布不均匀,呈现随距离肋板中心越远而越小的关系。(2)采用Abaqus有限元软件建立胶合木倒T梁模型并进行数值模拟分析,通过将试验结果与有限元模拟结果相对比,揭示了胶合木T梁的负弯曲性能,对比分析了试验梁和模拟梁的跨中挠度、极限拉压应变、翼缘板正应变和极限剪应力,结果表明:跨中极限挠度差值均小于15%、截面极限拉压应变值相差小于10%,极限剪应力远大于顺纹抗剪极限强度且剪应力不利区域与试验梁裂缝开展位置相吻合,跨中荷载挠度曲线、翼板应变横向分布曲线吻合度较高,说明试验结果准确可靠。(3)引用Rammer剪切强度公式计算T梁的弯剪承载力,理论与试验结果符合较好,表明此公式可应用于T型截面梁极限承载力计算,拓展了 Rammer剪切强度公式计算范围。
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