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混凝土-木节点力学性能有限元分析

20 世纪的两次世界大战之后，世界范围内钢材紧缺。为了代替钢材在建筑结构中的作用，混凝土-木组合结构逐渐产生［1］。这种组合结构可以用于新建结构或既有木建筑的维修和改造。截至1997年，超过10 000m2 的木结构楼板使用这种技术进行了加固。同时在波兰、新西兰以及澳大利亚境内也有超过3 000m2的木结构房屋及桥梁使用了混凝土-木组合结构体系加固方法。期间包括意大利在内的许多欧洲国家都认可并使用这种技术对旧木结构房屋进行了改造。当时使用这种技术加固既有结构可以节约新建结构一半的费用。
    除此之外，许多穿越森林的路桥多用原木结构直接修建。而原木结构的极限承载能力和延性限制了其结构方面地应用。使用混凝土板与木材的组合结构可以有效改善这种情况。组合结构除了拥有更高的强度和刚度，也可以防止潮湿的水汽腐蚀木材。在瑞士，13m 跨度的原木混凝土组合桥梁就是成功的范例。近年来，在芬兰等国家，混凝土-木组合结构被越来越多地应用于桥梁结构，这种技术有效改善了单一结构的缺陷，使使用性能和经济效益完美结合。
    类似于一般组合结构，混凝土-木组合结构的目的在于将两种材料的力学特征优势结合，共同发挥作用。因此其节点锚固性能的优劣决定了组合结构的力学性能，也是国内外学者研究的重点。本文将对国内外对混凝土-木组合结构节点的研究进行总结，并对3 种典型节点形式的力学性能进行有限元模拟分析，得到混凝土-木组合结构节点形式对力学性能的影响规律。
    1 ·混凝土-木组合结构节点连接方式
    在早期的混凝土-木组合结构中，用以连接两种材料的节点大多为木结构中常用的形式。文献显示，最早的组合结构节点采用的就是用以连接木结构的钢钉或铁路道钉。类似的连接构件还有很多被移植到混凝土-木组合结构中。在这些连接构件中，钢钉是最常用的［2］。因此钢钉作为混凝土-木组合结构连接件的力学性能得到学者们的广泛关注。节点根据锚固原理的不同可以分为机械式及黏接式两种。而机械式锚固又可根据锚固形式的不同分为插入式、嵌入式以及混合式3 种，如图1 所示。

    插入式节点( 见图1a) 主要由插入木材和混凝土的钢钉进行连接锚固。1989 年，Stevanovic 提出了钢钉在组合结构中连接性能的试验研究方法［3］。1993 年，Ahmadi 和Saka 对不同类型的钢钉进行了剪切和弯曲试验［4］。试验的目的是选择出最适合用于连接混凝土-木组合楼板的钢钉。1996 年，Gutkowski 和Tser-Ming 同样对组合结构中的钢钉进行了剪切和弯曲试验，试验参数包括钢钉直径和贯入长度［5］。根据试验结果得出了这些参数对连接过程中力学性能的影响。同时其他形式的连接构件也被大量采用，例如定位销栓、螺栓或铆钉等。但这些连接方式都有共同的缺点，即需要预先钻孔。
    插入式节点在受力中都会容许混凝土和木材间发生滑移，从而导致组合效果的降低。在简单的销栓类连接构件中，这种劣势更加明显，因此学者们考虑使用环氧树脂和销栓进行组合。首先在木材上钻直径略大于销栓直径的孔，孔中灌入部分环氧树脂，再将销栓插入。这种连接节点的优势在于销栓周围材料的强度和刚度都被有效提高，同时环氧树脂可以填补一些天然缺陷，更有利于节点处的连接锚固［6］。
    嵌入型节点( 见图1b) 主要由带有凹槽的混凝土或木材部分相互咬合连接，这种连接方式的优点在于可以有效发挥材料的抗压强度，而普通的插入型节点主要要求锚固材料具有较高的抗剪切强度。因此学者们开发了许多不同尺寸、不同形状的嵌入式节点，有时还与钢钉类构件组合使用，以阻碍混凝土和木材发生界面上下的错动。新西兰中心实验室在20 世纪70 年代就实现了嵌入式节点的简单形式。即将木块粘接在木梁上，再嵌入预先在混凝土表面开挖的凹槽内。
    1996 年，Yttrup 推荐了另一种嵌入式锚固节点的方式［7］。这种节点在嵌入混凝土的部分具有水平和垂直两个方向的固定装置，可以有效限制两个方向上的变形。
    1999 年Van der Linden 测试了一种用于层合板类组合结构连接的节点［8］。主要由直径为125mm的圆形固定件组成。这种连接件只适用于梁宽≥160mm 的情况。
    尽管嵌入式连接件可以很好地消除剪切造成的水平位移，但除了使用特殊装置的节点外，混凝土和木材间的纵向分层还是难以避免的。因此，许多学者考虑将嵌入式连接件与插入式连接件共同使用，即混合式节点( 见图1c) 。Natterer 最早于1990 年对嵌入式和插入式连接节点的组合进行了优化。他将嵌入式节点与螺钉组合在一起，这种组合不但可以避免混凝土和木材的上下分离，还可以有效增大二者之间的摩擦力［9］。
    相对于机械连接，另一种有效地连接混凝土和木材的方法就是粘接。这种连接方法可以获得良好的经济效益，但其也存在很多问题需要进一步研究。例如破坏时的脆性以及耐久性能等。随着胶结剂及粘贴技术的发展，这种方法被越来越多地应用于混凝土-木组合结构的锚固连接［10］。
    2· 有限元分析
    本文使用Lusas 有限元软件对3 种插入式混凝土-木组合结构节点的剪切试验进行了模拟。模拟的试验装置如图2 所示。混凝土块与木块的尺寸均为60mm × 60mm × 140mm。混凝土块与木材采用2根相同的钢锚栓进行连接。按照对称原则可以进行简化。节点锚栓分为3 种: ①节点1 锚栓为圆柱形，直径10mm，长55mm; ②节点2 锚栓在节点1 的基础上增加了两端的柱帽以改进锚固能力，柱帽截面为边长200mm 的正方形，高5mm，计入柱帽高度的锚栓总长度为55mm; ③节点3 采用截面为正方形的锚栓，截面尺寸为10mm × 10mm，长度55mm。锚栓插入木材和混凝土部分长度分别为40mm 和15mm。

    2． 1 模型建立
    节点模型根据对称原则建立，其中节点2 如图3 所示。其对称面使用相应的约束替代，以保证分析结果的正确性。模型采用软件内置的实体单元，用以模拟三维应力状态下材料的非线性特性。混凝土部分使用内置混凝土材料属性，轴心抗压和抗拉强度分别为40MPa 和3． 2MPa，弹性模量32. 5GPa，断裂能0． 1kN/m。木材使用正交各向异性材料属性进行设置［11］。锚栓采用各向同性材料，屈服强度与弹性模量分别为300MPa 和210GPa。木材支座部分采用简支。使用位移控制加载方式，得到了加载端的位移与荷载间的关系。计算中忽略木材与混凝土接触界面的摩擦作用。

    2． 2 荷载-位移曲线
    根据计算结果绘制的3 种节点荷载-位移曲线如图4 所示。由图4 可以看出，3 种节点的力学性能具有较大的区别。当施加荷载处的位移≤0. 5mm时，节点的锚固连接处于弹性阶段，此时荷载-位移曲线表现出近似为一条直线，直线的斜率代表节点锚固刚度。在弹性阶段，节点1 和节点2 的锚固刚度基本相同，而节点3 的刚度要高11． 2%。当位移超过0． 5mm 时，节点的锚固连接进入非线性阶段，此时3 种节点的力学性能出现较大差异。节点3 表现出最高的承载能力，而节点1 的承载力最低。节点2 的承载力位于二者之间。节点中锚栓截面形式的区别造成了这些差异。节点1 和节点2 中的锚栓均采用圆形截面，因此二者在受力初期的弹性阶段的力学性能差别不大，而节点2 中锚栓两端的凸出部分使节点2 相对节点1 的极限承载能力提高3%左右; 但在较大位移时，根据图5 所示，节点2 中锚栓两端凸出部分周围应力和应变状态较为复杂，可能造成沿锚栓轴线方向木材的挤压或拉伸破坏，致使节点提前达到极限承载力，延性相对较差。节点3 中的锚栓采用了矩形截面，计算结果表明，这种截面形式在保证延性的前提下，可以有效提高锚固刚度和极限承载力。节点3 相对节点1 的极限承载力提高幅度达17． 2%。

    3· 结语
    本文通过对混凝土-木结构节点的有限元模拟分析得到以下主要结论。
    1) 节点的锚固性能主要取决于锚栓的截面形式。相对圆柱形截面，矩形截面锚栓可以得到更大的锚固刚度及极限承载力。
    2) 在节点两端增加柱帽可以提高锚固的极限承载力，但对于锚固刚度的提高作用有限。
    3) 增加柱帽的锚栓在混凝土和木材相对变形较大时会导致木材在复杂应力状态下的破坏，延性较差。
    4) 通过合理的选择锚固方式，混凝土-木组合结构有较大的发展应用前景。

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点击次数：更新时间：2016-8-12 14:49:47 【打印此页】【关闭】

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