冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱偏心受壓有限元分析

張秀華　曾紫嫣

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

隨著國(guó)家關(guān)于“節(jié)能環(huán)保、綠色建筑”理念的推廣，近年來(lái)在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域關(guān)于鋼組合結(jié)構(gòu)的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)。國(guó)內(nèi)科研人員提出了一種新型環(huán)保結(jié)構(gòu)——鋼—竹組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)以冷彎薄壁型鋼和竹材人造板為主要材料，采用結(jié)構(gòu)膠及自攻螺釘進(jìn)行連接，可充分發(fā)揮鋼材的輕質(zhì)高強(qiáng)與竹材的低碳環(huán)保兩種材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用兩種材料協(xié)同工作效應(yīng)，有效緩解鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差而竹材經(jīng)濟(jì)性低的問(wèn)題。隨著研究的開(kāi)展，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼—竹組合結(jié)構(gòu)的研究成果正日趨完善：寧波大學(xué)課題組對(duì)冷彎薄壁型鋼—竹膠板組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，包括冷彎薄壁型鋼—竹膠板組合梁的抗彎及抗剪性能、組合樓板的抗彎及抗震性能、組合柱的軸心及偏心受壓性能、梁—柱節(jié)點(diǎn)的受力性能以及組合墻體抗震性能的研究，得到了以上構(gòu)件的破壞特征及承載力公式[1-8]。同時(shí)，東北林業(yè)大學(xué)課題組對(duì)重組竹材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，證明重組竹可以良好地應(yīng)用于鋼組合結(jié)構(gòu)中；并對(duì)冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)，得到其破壞形態(tài)并推導(dǎo)出承載力公式[9,10]。

ANSYS軟件就是有限單元法作為理論基礎(chǔ)的一款大型通用有限元軟件。使用ANSYS軟件，選取合理的材料本構(gòu)關(guān)系，建立有限元數(shù)值模型，能夠方便地修改影響因素，在很大程度上節(jié)約了試驗(yàn)成本，避免重復(fù)試驗(yàn)。本文基于ANSYS建立冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的三維模型，模擬了在偏心受壓情況下，冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的變形和破壞情況，并分析了組合柱在偏壓過(guò)程中的鋼與竹內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及組合柱的軸向變形等。

1　有限元分析模型

1.1　材料本構(gòu)關(guān)系

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是反映力學(xué)性能的物理關(guān)系，能夠很好地描述構(gòu)件在受力過(guò)程中材料力和變形的關(guān)系，是材料微觀機(jī)理的宏觀表現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形計(jì)算中占有重要地位。要對(duì)冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱進(jìn)行偏心受壓下的數(shù)值分析，必須先確定重組竹板、薄壁方形管和結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型。

重組竹為各向異性材料，其真實(shí)本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜。因此在進(jìn)行冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱偏心受壓力學(xué)性能彈性分析及屈曲分析時(shí)，將重組竹板視為各項(xiàng)同性材料。影響構(gòu)件承載力主要是由屈曲和粘結(jié)劑開(kāi)裂引起，重組竹板并未達(dá)到極限狀態(tài)，因此在開(kāi)裂分析中，可以認(rèn)為重組竹板在平面內(nèi)的水平向和豎向?yàn)楦飨蛲圆牧?。在整個(gè)受力過(guò)程中，該平面內(nèi)重組竹板處于彈性階段，即為理想彈性材料。

冷彎薄壁型鋼采用Q235鋼，為低碳軟鋼。兩種材料參數(shù)如表1所示，鋼材和重組竹簡(jiǎn)化的本構(gòu)模型關(guān)系如圖1所示。

表1　材料參數(shù)

1.2　建立分析模型

采用有限元軟件ANSYS15.0建立組合柱試件的有限元模型。根據(jù)試驗(yàn)試件建立冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的整體三維模型。分別對(duì)單塊重組竹板、冷彎薄壁型鋼一側(cè)鋼板進(jìn)行建模，通過(guò)組裝形成整體試件，并復(fù)形制成箱型截面，以試件Z2為例，有限元模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

對(duì)冷彎薄壁型鋼采用Shell181單元，重組竹板采用Solid95單元進(jìn)行建模，并利用Conta175設(shè)置面與面的接觸關(guān)系；自攻螺釘在組合柱中起固定和連接薄壁型鋼與重組竹的作用，螺紋的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可不作考慮，因此可以不對(duì)螺紋精確建模，僅在螺釘和螺孔內(nèi)表面建立綁定約束來(lái)模擬其工作狀態(tài)。

對(duì)于邊界條件的處理，首先分別在組裝部件上下截面形心處建立參考點(diǎn)，并通過(guò)耦合解除關(guān)系保證柱上下截面與參考點(diǎn)變形協(xié)調(diào)，底部參考點(diǎn)約束U1,U2,U3三個(gè)方向的自由度，模擬鉸接制作。在頂部參考點(diǎn)上逐級(jí)增加均布荷載，以模擬荷載施加情況。

2　有限元分析結(jié)果

2.1　各材料應(yīng)力云圖

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，認(rèn)為組合柱位移變形迅速增長(zhǎng)或局部破壞較嚴(yán)重時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。在分析中，當(dāng)控制點(diǎn)反力達(dá)到組合柱極限強(qiáng)度時(shí)各材料的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

由圖4可知，冷彎薄壁型鋼的應(yīng)力遠(yuǎn)大于重組竹所受應(yīng)力，由于鋼彈性模量1.98×105MPa與重組竹彈性模量1.06×104MPa相差過(guò)大，故在二者豎向位移相同情況下，冷彎薄壁型鋼的應(yīng)力遠(yuǎn)大于重組竹。

2.2　長(zhǎng)細(xì)比和偏心距的影響

調(diào)整組合柱的長(zhǎng)度為900 mm,1 500 mm,1 800 mm,2 100 mm,2 400 mm,2 700 mm六種類型，每種長(zhǎng)度的組合柱分別測(cè)試其在偏心距為0 mm,20 mm,40 mm下的極限承載力結(jié)果,如表2所示。

表2　有限元模擬結(jié)果

可以得出如下結(jié)論：1)無(wú)論偏心還是偏心受壓構(gòu)件，承載力隨長(zhǎng)細(xì)比的增加而降低，而偏心受壓構(gòu)件的彎矩—壓力二階效應(yīng)隨長(zhǎng)細(xì)比的增加越發(fā)明顯。2)隨著試件長(zhǎng)度的增加，每一級(jí)長(zhǎng)細(xì)比的增加雖然會(huì)降低試件的極限承載力，但其影響效果在長(zhǎng)細(xì)比λ<44.77的短柱階段并不顯著。試件的長(zhǎng)細(xì)比λ>44.77時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比的影響才比較明顯。3)對(duì)比同一長(zhǎng)細(xì)比下的不同偏心距的三個(gè)試件，可以看出：對(duì)于軸心受壓柱，長(zhǎng)細(xì)比從λ=22.39增加到λ=67.16時(shí)，極限承載力降低了26.1%；對(duì)于偏心距20 mm的受壓柱，長(zhǎng)細(xì)比從λ=22.39增加到λ=67.16時(shí)，極限承載力降低了35.9%；對(duì)于偏心距40 mm的受壓柱，長(zhǎng)細(xì)比從λ=22.39增加到λ=67.16時(shí)，極限承載力降低了39.9%。顯而易見(jiàn)，偏心距對(duì)試件承載力相較于長(zhǎng)細(xì)比有著非常巨大的影響。4)當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ>67.16時(shí)，試件已屬長(zhǎng)柱范圍，具有較高的柔度。此時(shí)即使偏心距只有20 mm，也會(huì)使試件的承載力降低40%左右?？梢?jiàn)對(duì)于長(zhǎng)柱而言，偏心距對(duì)承載力的影響更加顯著。

3　結(jié)語(yǔ)

冷彎薄壁型鋼—重組竹組合結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)形式，本文通過(guò)有限元軟件ANSYS建立模型來(lái)研究不同柱高和偏心率對(duì)試件極限承載力的影響，得到以下結(jié)論：1)破壞時(shí)承受應(yīng)力最大的材料為膠層，其次是冷彎薄壁型鋼，最后是重組竹。因此，膠層可以看做本組合構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量保證膠層的強(qiáng)度。2)偏心距和長(zhǎng)細(xì)比對(duì)承載力都有著非常重大的影響。特別是對(duì)于長(zhǎng)柱而言，偏心距的影響更為顯著。在實(shí)際工程中應(yīng)采取一定措施減小柱的計(jì)算長(zhǎng)度以提高穩(wěn)定性。同時(shí)還應(yīng)避免偏心的產(chǎn)生。3)有限元方法中設(shè)定的條件較實(shí)際工程理想化，故有限元方法得到的模擬結(jié)果較實(shí)際應(yīng)偏大。如果要以有限元方法計(jì)算冷彎薄壁型鋼偏心受壓柱的承載力，應(yīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行一定的折減考慮。

參考文獻(xiàn):

隨著國(guó)家和山東省地下水監(jiān)測(cè)工程的實(shí)施，山東省地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度達(dá)到了0.98個(gè)/100km2，站網(wǎng)布局得到有效優(yōu)化完善，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋全省17個(gè)市、涵蓋3大水文地質(zhì)區(qū)(表1)和14個(gè)亞區(qū)，控制面積達(dá)15萬(wàn)km2，加強(qiáng)了對(duì)地下水超采漏斗區(qū)、地面沉降中—強(qiáng)發(fā)育區(qū)、巖溶塌陷易發(fā)區(qū)、大中型水源地等重點(diǎn)地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力，基本實(shí)現(xiàn)了“區(qū)域控制和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合”監(jiān)測(cè)目的，地下水監(jiān)測(cè)能力得到有效提升。全省17市地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2，國(guó)家和山東省地下水監(jiān)測(cè)工程實(shí)施前后監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局情況見(jiàn)圖3和圖4。