李幗昌,岳祥虎,楊志堅

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)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(dǎo),激發(fā)了對木材廣泛應(yīng)用的探索,國內(nèi)外學(xué)者對木材組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);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(xué)者對木材組合結(jié)構(gòu)的試驗研究、數(shù)值模擬與理論分析可知,木材組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件核心處的混凝土,大大減少了構(gòu)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(shè)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(gòu)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(gòu)關(guān)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(gòu)模型[16]。采用Engineering Constants方法對木材彈性參數(shù)設(shè)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(gòu)件中各組成部分均選擇C3D8R實體單元,采用結(jié)構(gòu)化技術(shù)對網(wǎng)格進行劃分。在材料屬性設(shè)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(jié)果分析

2.1 荷載-位移曲線分析

構(gòu)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(gòu)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(dān)荷載,且都處于彈性狀態(tài)。達到A點時構(gòu)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(yīng)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(yīng)力開始處于穩(wěn)定狀態(tài)。到達C點時,構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(dān)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(gòu)件殘余承載力可達極限承載力的71%左右。

2.2 應(yīng)力云圖分析

圖3為構(gòu)件SCCL-3中混凝土縱向應(yīng)力云分布圖,圖中A、b、c、d對應(yīng)圖2中各特征點。

圖3 鋼管-木-混凝土柱混凝土縱向應(yīng)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(yīng)力沿構(gòu)件高度分布比較均勻,兩端角部的壓應(yīng)力值略小,壓應(yīng)力最大值位于構(gòu)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(yīng)力相對均勻,從構(gòu)件兩端的四分之一處開始出現(xiàn)條狀應(yīng)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(yīng)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(yīng)力下降較多,整體來看混凝土應(yīng)力下降較緩。d點時,木材達到順紋極限抗壓應(yīng)力,木材開始破壞,混凝土應(yīng)力下降開始變快,最終在此處產(chǎn)生較大破壞變形。

構(gòu)件SCCL-3在各特征點處鋼管Mises應(yīng)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(dān)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(yīng)。達到A點時,鋼管應(yīng)力分布變化不大,鋼管兩端端部應(yīng)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(yīng)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(yīng)力開始保持不變,處于穩(wěn)定狀態(tài)。達到C點時,構(gòu)件處于極限承載力狀態(tài),鋼管應(yīng)力變化不大,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。達到D點時,構(gòu)件中部的塑性應(yīng)變發(fā)展較快,鋼管應(yīng)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(yīng)力分布圖Fig.4 Mises stresses distribution diagram of steel tube at each characteristic points

構(gòu)件SCCL-3木材順紋應(yīng)力分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出,在A點時,構(gòu)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(yīng)力沿高度分布均勻。A點之后,木材全截面順紋壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力,木材中部一側(cè)應(yīng)力較大。隨后木材開始出現(xiàn)局部壓皺破壞,木材截面應(yīng)力開始下降,但因木材與混凝土作用逐漸加強,木材截面應(yīng)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(yīng)力沿高度方向分布相對均勻,在木材中部內(nèi)部應(yīng)力偏小。

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

2.3 荷載分擔(dān)比例分析

構(gòu)件SCCL-3中鋼管、混凝土、木材單獨承載占構(gòu)件總荷載的比例與位移關(guān)系曲線如圖6所示。分析可知,當構(gòu)件加載位移達到0.56 mm時,構(gòu)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(gòu)件加載位移達到1.16 mm時,構(gòu)件達到B點,鋼管開始屈服,承擔(dān)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(dān)荷載在構(gòu)件達到極限承載力之前達到最大值,此后混凝土承擔(dān)荷載開始下降。達到C點時,構(gòu)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(dān)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(gòu)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(dān)荷載趨于穩(wěn)定。

圖6 SCCL-3各組成部分承擔(dān)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(gòu)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(gòu)件加載初期,各構(gòu)件的初始剛度保持不變。構(gòu)件極限承載力隨鋼管屈服強度的增大而逐漸增大,Q355構(gòu)件比Q235構(gòu)件極限承載力提高了26.9%,Q390構(gòu)件比Q355構(gòu)件極限承載力提高了5.5%,Q420構(gòu)件比Q390構(gòu)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(gòu)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(gòu)件的極限承載力提升幅度變小。

圖7 不同鋼管屈服強度構(gòu)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(gòu)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(gòu)件初始剛度增大,極限承載力近似呈線性增長,C40構(gòu)件比C30構(gòu)件極限承載力提高了6.5%,C50構(gòu)件比C40構(gòu)件極限承載力提高了6.2%,C60構(gòu)件比C50構(gòu)件極限承載力提高了6.6%,但構(gòu)件延性逐漸降低。

圖8 不同混凝土強度構(gòu)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(gòu)件性能的影響

圖9為鋼管壁厚為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm構(gòu)件荷載-位移曲線。從圖中可以看出,隨著鋼管壁厚的增大,構(gòu)件初試剛度增大,5 mm壁厚構(gòu)件比4 mm壁厚構(gòu)件極限承載力提高了10.2%,6 mm壁厚構(gòu)件比5 mm壁厚構(gòu)件極限承載力提高了9.1%,7 mm壁厚構(gòu)件比6 mm壁厚構(gòu)件極限承載力提高了9%,構(gòu)件延性得到明顯提升,但鋼管壁厚增大構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)件和方木芯構(gòu)件初始剛度逐漸減小,而圓木芯構(gòu)件和方木芯構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)件和方木芯構(gòu)件延性逐漸增大,木材截面尺寸越大構(gòu)件延性越好。

圖10 不同木材截面尺寸構(gòu)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(gòu)件荷載-位移曲線。以方形木材面積為參考,將每一組構(gòu)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(gòu)件和方木芯構(gòu)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(gòu)件與圓木芯構(gòu)件極限承載力近似相同,木材尺寸較小時,截面形式對構(gòu)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(gòu)件,同時方木芯構(gòu)件延性要好于圓木芯構(gòu)件延性。

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

4 結(jié) 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(chǔ)上,加入木材,組合柱承載力得到輕微提高,構(gòu)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(gòu)件極限承載力越大。木材截面尺寸越大構(gòu)件延性越好,且在方鋼管混凝土的約束下,方木芯構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)于圓木芯構(gòu)件。