帶約束拉桿方形薄壁鋼管竹膠合板組合空芯柱軸心抗壓性能課件

1、帶約束拉桿方形薄壁鋼管/竹膠合板組合空芯柱軸心抗壓性能Axial compression behavior of square thin-walled steel tube/bamboo plywood composite hollow column with binding bars 目 錄 綱 要2123研 究 依 據(jù) 研 究 內(nèi) 容 結(jié)論與展望 1 研究依據(jù)1.1 研究背景及意義1.2 研究發(fā)展及現(xiàn)狀1.3 文章結(jié)構(gòu)圖31.1研究背景及意義 4 竹材資源豐富生長快速、可再生綠色可持續(xù)發(fā)展世界主要產(chǎn)竹國竹林面積和種數(shù)分布力學(xué)性能良好結(jié)構(gòu)體系多樣化材料強(qiáng)重比力學(xué)性能強(qiáng)重比（比強(qiáng)度）=材料的強(qiáng)

2、度/材料表觀密度1.1 研究背景及意義 5 幾何形狀不規(guī)則空心且各項(xiàng)異性易吸水腐朽霉變易燃不抗火等等隨著現(xiàn)代化加工工藝和技術(shù)水平的提高，竹集成材 的研制成功，尤其是各種竹膠合板的出現(xiàn)，打破了 天然竹材自身的局限性，大大的拓寬了竹材在結(jié)構(gòu) 中的應(yīng)用范圍，現(xiàn)代鋼-竹結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運(yùn)而生。帶約束拉桿方形薄壁鋼管/竹膠合板組合空芯柱（SBCCB）是在薄壁方型鋼管/竹膠板空芯組合柱（SBCC）開發(fā)和研究的基礎(chǔ)上，對(duì)改性竹材的一 種更深入的新型利用。設(shè)置橫向約束拉桿可有效減 緩組合柱開膠破壞，改變極限破壞模式，顯著提高 極限承載力。新型的結(jié)構(gòu)單元對(duì)竹結(jié)構(gòu)房屋實(shí)現(xiàn)低層向高層建設(shè)、 大規(guī)模批量化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基

3、礎(chǔ)，對(duì)建筑業(yè)實(shí) 現(xiàn)節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展具有 深遠(yuǎn)意義?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中未廣泛應(yīng)用1.2 研究發(fā)展及現(xiàn)狀竹作為主要建筑材料，輔以木材、泥漿、混凝土等材料建造房屋，增加其耐用性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球有10多億人以竹為居。 6 墨西哥竹建筑 伊朗北部度假小屋 越南咖啡屋國內(nèi)外竹結(jié)構(gòu) 干欄式建筑 公園小筑 竹林小屋1.2 研究發(fā)展及現(xiàn)狀 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)是基于現(xiàn)代材料學(xué)、力學(xué)和試驗(yàn)學(xué)等基本理論，采用機(jī)械、化學(xué)等加工方法，將天然竹子加工成一系列的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念、施工方法以及維護(hù)技術(shù)等，將這些竹構(gòu)件進(jìn)行拼接安裝從而形成的一種新型結(jié)構(gòu)。 7現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀竹材集成梁/柱SBCC偏壓試件SBCC

4、軸壓試件現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑Sinha研發(fā)了竹集成材復(fù)合梁。Bhagat 研發(fā)了竹集成材復(fù)合柱。肖巖團(tuán)隊(duì)采用竹膠合板作為材料制作了梁、 柱、板、墻等結(jié)構(gòu)單元），并成功地將其 應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)以及人行天橋 中。趙衛(wèi)鋒等研發(fā)了一種薄壁鋼管/竹膠合板 組合空芯柱（SBCC），研究了SBCC在 軸壓和偏壓下的力學(xué)性能。劉學(xué)等研究了竹制建筑結(jié)構(gòu)柱的抗壓性能。李玉順團(tuán)隊(duì)研究了鋼/竹組合系列結(jié)構(gòu)單 元（梁、板、墻和柱）的多項(xiàng)力學(xué)性能。1.3 文章結(jié)構(gòu)圖 82 研究內(nèi)容2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究2.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究2.3 承載力計(jì)算理論研究92.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究10參數(shù)水平長細(xì)比截面

5、尺寸/mmmm組合方式125100100A230120120B335140140C參數(shù)設(shè)置及水平試件設(shè)計(jì) 截面組合方式-A 截面組合方式-B 截面組合方式-C2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究11拉桿布置試件設(shè)計(jì)正交表設(shè)計(jì)2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究12湖南中南神箭毛竹竹簾膠合板Q235鍍鋅無縫鋼管屈服強(qiáng)度260MPa6全絲螺桿上海產(chǎn)喜利得500-SD化學(xué)粘結(jié)劑試件成品試件材料按設(shè)計(jì)尺寸切割竹膠板竹膠板和薄壁鋼管打孔竹膠板和薄壁鋼管表面處理竹膠板以及鋼管粘結(jié)約束拉桿拉緊固定，并用角鋼夾緊構(gòu)件，加重物養(yǎng)護(hù)7d左右對(duì)粘結(jié)縫做后期處理，養(yǎng)護(hù)7d粘貼應(yīng)變片2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究13試驗(yàn)加載裝置荷

6、載傳感器位移傳感器DH-3821靜態(tài)測試系統(tǒng)加載方案按照木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定 進(jìn)行加載；試件出現(xiàn)較大開裂破壞或變形迅速 增長時(shí)終止試驗(yàn)；取最大荷載值為試件極限荷載。施壓：液壓千斤頂通過荷載傳感器；側(cè)向變形：6個(gè)水平位移傳感器；縱向變形：底部1個(gè)豎向位移傳感器；應(yīng)變：靠近橫向約束拉桿位置12個(gè) 應(yīng)變片2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究14柱端竹膠合板壓潰破壞破壞現(xiàn)象Z1Z6Z8Z9 長細(xì)比較大 制作裝配差異 未絕對(duì)垂直 承壓面不均勻 2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究15試件兩端膠合界面開膠破壞柱端竹膠合板壓潰破壞破壞現(xiàn)象 套箍效應(yīng) 兩端內(nèi)縮 約束拉桿 法向拉應(yīng)力大 基體膠合強(qiáng)度不足Z2Z4Z5Z

7、7Z32.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究16因素分析 Z1、Z2、Z3長細(xì)比25 Z4、Z5、Z6長細(xì)比30 Z7、Z8、Z9長細(xì)比35不同截面尺寸相同長細(xì)比P-曲線 Z1、Z6、Z8組合方式A Z2、Z4、Z9組合方式B Z3、Z5、Z7組合方式C不同截面尺寸相同組合方式P-曲線極限荷載隨凈截面積增大而增大，但其變化趨勢是非線性的，長細(xì)比和組合方式與截面尺寸對(duì)極限荷載有交互影響2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究17因素分析不同長細(xì)比不同組合方式P-曲線 Z1、Z2、Z3長細(xì)比25 Z4、Z5、Z6長細(xì)比30 Z7、Z8、Z9長細(xì)比35圖2、3可知長細(xì)比對(duì)試件的抗壓性能有重要影響，整體上符合長細(xì)比增大

8、極限荷載降低的規(guī)律；圖1長細(xì)比與截面組合方式應(yīng)對(duì)極限荷載有交互影響，定性的判斷截面組合方式對(duì)承載力的影響是組合方式C大于組合方式B，B又大于A縫隙粘結(jié)面2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究18應(yīng)變分析 截面尺寸100mm100mm 截面尺寸120mm120mm 截面尺寸140mm140mm相同截面尺寸情況下不同試件的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖可知： 截面尺寸增大時(shí)，試件表現(xiàn)出更高的極限承載力 整體受力性能良好，直到加載結(jié)束仍基本處于彈性階段，塑性段不明顯。 約束拉桿區(qū)域的應(yīng)變值較小，約束拉桿有效減小了試件的開膠破壞，改變其極限破壞模式。2.1 組合空芯柱軸壓試驗(yàn)研究19極限壓應(yīng)力比較壓應(yīng)力值比較由表可

9、知：SBCC的平均極限壓應(yīng)力為16.06MPa， 而SBCCB的平均極限壓應(yīng)力達(dá)到了 20.29MPa，相對(duì)不帶約束拉桿試件 極限壓應(yīng)力提高26%。前者測試值離 散性較大，標(biāo)準(zhǔn)差為2.34 MPa，后者 標(biāo)準(zhǔn)差為1.74 MPa。從數(shù)據(jù)比較以及觀察測試現(xiàn)象可知， 設(shè)置橫向約束拉桿可有效減緩試件 的開膠剝離破壞，改變極限破壞模 式，對(duì)提高試件極限承載力有利， 且極限承載力的離散性減小。2.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究20模型建立模擬參數(shù)設(shè)置模型效果圖及網(wǎng)格劃分C3D8R 種子均距布置 竹膠合板和鋼管間距10 約束拉桿間距5兩端耦合(Coupling)，約束 U1，U2，U3三個(gè)方向自 由度，模擬鉸

10、接支座2.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究21結(jié)果云圖Z6M142.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究22結(jié)果分析結(jié)合竹膠合板及鋼管應(yīng)力云圖，約束拉桿區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，及試驗(yàn)中SBCCB試件以材料的壓折破壞為主，這說明約束拉桿的設(shè)置在試驗(yàn)中起到了重要作用，設(shè)置橫向約束拉桿可有效減緩試件的開膠破壞，改變極限破壞模式。約束拉桿對(duì)于試件破壞機(jī)理的改變本文不作深入探究。2.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究23承載力驗(yàn)證壓應(yīng)力值比較Z1和M7 P-曲線Z6和M14 P-曲線Z9和M19 P-曲線 對(duì)應(yīng)關(guān)系： Z1 M7 Z2 M8 Z3 M9 Z4 M12 Z5 M13 Z6 M14 Z7 M17 Z8 M18 Z9 M

11、19 模擬極限承載力同試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差不大。偏差原因：模擬狀態(tài)完全理想化-保守粘聚區(qū)設(shè)置-收斂快變形小理想鉸接-約束接觸差異2.2 組合空芯柱數(shù)值模擬研究24影響因素驗(yàn)證長細(xì)比對(duì)極限荷載的影響：整體上符合長細(xì)比增大極限荷載降低的規(guī)律，其中兩組較大截面的試件極限荷載受長細(xì)影響趨勢顯著。截面尺寸對(duì)極限荷載的影響：一般極限荷載與截面尺寸存在正相關(guān)增長，且長細(xì)比較大試件的非線性趨勢明顯含鋼率對(duì)極限變形的影響：鋼材按強(qiáng)度等效為竹膠合板，換算面積為組合柱原凈截面面積的1520%，不考慮其他因素影響，整體上極限變形能力隨含鋼率增大而增大2.3 承載力計(jì)算理論研究25計(jì)算公式式中 Nu為極限承載力； f

12、b竹膠板沿纖維方向的極限抗壓強(qiáng)度值（16.2MPa）； fs鋼材的抗壓強(qiáng)度值（235MPa）； Ab 、As試件竹膠板凈截面面積、試件鋼管截面面積； 試件長細(xì)比； C擬合參數(shù)。 為工程應(yīng)用提供參考，參考我國木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的公式，建立極限承載力計(jì)算模型。為了利用理論模型來計(jì)算承載能力，假定直接采用建議組合方式B，即不考慮組合方式的影響，則承載力折減系數(shù)即為長細(xì)比影響系數(shù)（穩(wěn)定系數(shù)） 。2.3 承載力計(jì)算理論研究26結(jié)果對(duì)比&驗(yàn)證試驗(yàn)值與計(jì)算值比較極限承載力模型驗(yàn)證 公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較， 絕對(duì)誤差小于14%，吻合良好。計(jì)算承載力模型中膠合竹板提供 的抗壓承載力占組合柱總抗壓承 載力的68.

13、0%78.8%，平均 73.1%，較大程度的利用了竹材 的抗壓能力。采用2個(gè)已完成的小偏壓試件的測試結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證本文計(jì)算模型的可靠性。3 結(jié)論與展望27（2）SBCCB試件軸心抗壓極限承載力隨試件的竹膠合板凈截面面積增大而增大，隨長細(xì)比增大而減小，且二者有交互影響；其承載力受截面組合方式影響，組合方式C是最佳方式；采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了影響因素分析的正確性。（3）設(shè)置十字形約束拉桿可有效抑制試件的開膠破壞，改變其極限破壞模式，顯著提高極限承載力。相對(duì)于的SBCC試件， SBCCB試件極限壓應(yīng)力平均提高26%，離散性更小。結(jié)論（4）參考木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建立極限承載力計(jì)算模型，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，絕對(duì)誤差小于14%，可為工程應(yīng)用提供參考。（1）帶約束拉桿方形薄壁鋼管/竹膠合板組合空芯柱（SBCCB）試件軸心抗壓破壞為柱端和約束拉桿之間柱身的材料壓折破壞和竹膠合板基體之間的開膠破壞，以材料破壞為主。3 結(jié)論與展望28展望（1）本文中9根SBCCB試件均由手工制