型钢-旋切板胶合木组合梁受弯性能研究

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当前,钢材和木材是土木工程中两种常见的建筑材料,单独由这两种材料建造的结构各自有许多优点,但同时也具有各自的缺点,比如:木结构设计强度偏低,木材易开裂,随着时间的推移强度会衰退,性能易受蠕变影响,并且在潮湿的环境中,容易受到腐蚀或虫蚀从而导致出现性能的缺陷。钢结构失稳破坏偏多,容易发生局部弯曲或整体失稳,这是因为随着宽厚比的增大,钢结构的几何形状会更容易发生突变,从而导致出现一系列性能缺陷的问题。因此,如果能将两种材料结合起来,取长补短,形成一种新型复合结构,则有望能够充分发挥两种材料力学性能的优势。本文尝试将两种材料结合在一起提出了一种新型的组合梁:以型钢为骨架,型钢翼缘、型钢腹板外表面连接意杨旋切板胶合木,组成型钢-旋切板胶合木组合梁,研究组合梁在不同参数下的受弯性能,对比不同参数下抗弯性能的大小,进而提出适用于型钢-旋切板胶合木组合梁的设计方法,为今后钢-木组合结构能够实现工业化生产和装配化施工提供设计依据。研究的主要内容如下:(1)本文在型钢、意杨旋切板胶合木的物理性能试验研究基础上,得到了型钢、意杨旋切板胶合木的物理特性性能指标,开展了意杨旋切板胶合木的力学性能实验,为组合梁理论公式的计算分析和有限元数值模拟研究提供了重要依据。(2)开展了复合材料组合梁弯曲正应力理论计算公式的推导工作。运用直接分析法,找出了组合梁截面中性轴的位置,根据静力平衡条件,建立了任意多层层合梁横截面上任一点处弯曲正应力的一般公式,在此基础上推导了异形截面复合梁弯曲正应力的一般公式,并利用Maple语言编制了求解程序进行算例分析,将基于Maple软件编程计算的理论结果与有限元分析结果进行对比,发现两个结果较为接近。(3)在ABAQUS有限元软件中对有限元建模、边界条件及荷载加载方式等关键技术进行了学习与探索,对型钢-旋切板胶合木组合梁的抗弯性能在连接方式、型钢厚度、意杨旋切板胶合木材厚度等参数下进行有限元数值模拟仿真分析。研究结果如下:利用ABAQUS软件所建立的组合梁的模型是准确的,并且在不同参数下组合梁所表现出来的受弯性能也不同。(4)考虑到结构强度和经济的整体效益,型钢-旋切板胶合木中型钢翼缘厚度可选为14mm,型钢腹板厚度可选为11mm,腹板和翼缘意杨旋切板胶合木材厚度可选为40mm,另外两种材料之间的连接方式选择胶结时能更合理有效。通过研究表明:意杨旋切板胶合木材料力学性能优越,能满足结构用材的要求;复合材料组合梁弯曲正应力的推导公式准确,可以用来计算类如钢-木组合梁这些复合梁的弯曲正应力;运用ABAQUS软件对型钢-旋切板胶合木组合梁进行了数值模拟分析,对比理论公式计算值与有限元数值模拟计算值,两者大致吻合,从而验证了模拟的有效性;型钢-旋切板胶合木组合梁的受弯承载能力与材料间的连接方式、型钢腹板厚度、翼缘意杨旋切板胶合木材厚度等因素有关,正确的设计组合梁的参数可以提高组合梁的受弯承载能力。研究成果可为更为深入地研究钢-木组合梁组合受力机理、受弯性能提供参考依据,对未来研发新型高性能组合结构,提升建筑行业的施工效率和生产水平,达成绿色建造、减少污染和保持生态平衡的目标等方面都具有重要意义。
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