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木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力探讨

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摘要:为了研究相对滑移对木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力的影响,结合对木-混凝土组合梁的梁截面受力特点的分析,建立了木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力计算模型,提出了考虑滑移后组合梁简化弹性抗弯承载力公式,使组合梁承载力公式得到优化。同时为验证公式正确性,利用Ansys有限元分析软件进行有限元分析。通过有限元分析与理论公式进行比较,结果表明:理论推导公式与有限元分析吻合良好,可以适用于木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力计算。

关键词:木-混凝土组合梁;有限元分析;弹性抗弯承载力;滑移;受力性能

1前言

钢筋混凝土因其可塑性强、整体性好、耐久性好、易就地取材,一直以来都是主要的建筑材料,然而钢筋混凝土材料也有着较为明显的缺点:自重大、抗裂性差、难回收,对环境影响较大。木材是唯一可再生的主要建筑材料,在能耗、水污染、空气以及生态资源开采方面,木结构的环保性较砖混结构和钢结构好,是公认的绿色建筑材料。随着生态环境问题日益突出,生态与人文关怀的思想逐渐受到重视。人们越来越关注建筑的生态和可持续发展,木结构建筑以其众多优点,逐渐得到人们的认可。木材相对其它材料有极强的韧性,木结构体系的耐火能力较强,轻型木结构中石膏板对木构件的覆盖,以及重木结构中大尺寸木构件遇火形成的碳化层,均可以保护木构件,并保持其结构强度和完整性,按中国木结构设计规范设计建造的木结构建筑,完全能够满足有关防火要求。欧美国家木结构建筑发展较为完善,建筑面积及比例都很高,人们对木结构的接受意识也较为强烈。我国木结构发展正逐渐兴起,但整体水平有待于提高。木-混凝土组合梁是一种木材与混凝土相结合的新型结构形式[1],通过使用剪力连接件把木梁和混凝土板连成整体而共同受力的组合构件,剪力连接件传递纵向剪力,限制了木梁和混凝土的相对滑移,并且还可以抵抗两种材料之间的掀起效应[2]。木-混凝土组合梁使得木材充分抗拉,混凝土充分抗压,避免了木材料较轻,混凝土较重的缺点,使组合梁受力更加合理。一直以来,众多学者对木-混凝土组合梁进行了多种研究[3-10],包括加载破坏试验和连接件推出试验等,获得了较多研究成果。木-混凝土组合梁在传递轴向力的过程中,在木梁与混凝土翼板的交界面会产生相对滑移,导致变形增大,承载能力降低。对于组合梁承载能力应当考虑滑移对组合梁的受力影响,并给予相应的折减。本文结合木-混凝土组合梁的受力特点及有限元分析,推导了考虑滑移后的木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力公式,为组合梁的设计及制造提供参考。

2胶合木-混泥土组合梁抗弯承载力公式推导

2.1基本假定

1)木梁及混凝土全都是理想弹性模型;2)木梁及混凝土翼板分别符合平截面假定,且分别具有相同曲率;3)不计混凝土翼板里的钢筋作用;4)不计混凝土的抗拉作用;

2.2完全剪力连接

按照剪力连接水平的不同,可以将胶合木-混凝土组合梁分为完全剪力连接和部分剪力连接。完全剪力连接和部分剪力连接的主要表现是交界面相对滑移量的不同。完全剪力连接的木梁和混凝土翼板的交界面相对滑移很小,组合梁的整体性较好,可以其看成整体一起工作,平截面假定可以认为仍然成立。

2.2.1木材与混凝土的应力-应变关系

胶合木受力性能较为复杂,顺纹、横纹不同,在力学性质上具有明显的各向异性。木材的顺纹受拉强度较高,因此可作为组合梁的受拉构件。受拉破坏表现为脆性破坏,而受压破坏前却具有比较大的塑性变形性质。

2.2.2相对受压区高度

图2为胶合木-混凝土组合梁截面抗弯承载力计算理论模型。

2.3部分剪力连接

部分剪力连接组合梁承载力之所以发生变化,是因为交界面滑移的存在,导致截面曲率增大,变形增大,从而导致刚度减小,承载力变小。

3有限元分析

3.1模型尺寸

本文选取文献[13]中的两根部分剪力连接木-混凝土组合梁作为分析数据,材料的材性试验结果及力学性能。

3.2结果分析

表2为弹性抗弯承载力对比分析结果,由表2可以看出,通过理论推导得出的组合梁抗弯承载力与有限元分析结果吻合良好,误差较小,说明理论推导公式可以适用于木-混凝土组合梁的弹性抗弯承载力计算。表中:Mu1为理论公式推导结果;Mu2为有限元分析结果。

4结论

1)胶合木-混凝土组合梁在完全剪力连接与部分剪力连接两种状态下的抗弯承载力是不一样的,因为交界面相对滑移的影响,部分剪力连接时,抗弯承载力会有相应的折减。组合梁的抗弯承载力与剪力连接件的间距、刚度都有关。当剪力连接件的间距越小、刚度越大时,组合梁抗弯承载力越大;反之越小。2)通过理论推导、有限元分析,建立了考虑滑移后的组合梁弹性抗弯承载力公式,该式既适用于完全剪力连接组合梁,也适用于部分剪力连接组合梁,公式相对简单且精度较高,可以用于木-混凝土组合梁抗弯承载力的一般计算。

作者:晏志勇 单位:湖南城市学院

木-混凝土组合梁弹性抗弯承载力探讨责任编辑:张雨    阅读:人次
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