角鋼-集成材l形組合柱的設計

角鋼-集成材l形組合柱的設計

預制裝配式結(jié)構(gòu)建筑受到越來越多的應用，因為它具有節(jié)能環(huán)保、高規(guī)范、短期建設等優(yōu)點。異形柱指的是形狀為L形、T形和十字形的柱鋼木組合異型柱與型鋼混凝土異形柱相似，可以通過木材與鋼材的組合和協(xié)同作用來確保結(jié)構(gòu)柱在異形截面下保持良好的力學性能。鋼木組合結(jié)構(gòu)常用于增加木質(zhì)結(jié)構(gòu)柱的承載能力，主要分為兩種形式:一種是木質(zhì)圓柱或方柱中間設置型鋼，再用膠黏劑與角鋼相連接雖然目前國內(nèi)外對鋼木組合柱進行了相關研究1材料和方法1.1角鋼等型鋼結(jié)構(gòu)試驗1)北美進口一級SPF規(guī)格材(云杉-松木-冷杉)，密度0.457g/cm2)型鋼:試驗采用熱軋等邊角鋼，角鋼相關參數(shù)如表1所示。3)膠黏劑:水性乙烯基聚氨酯膠黏劑，用于結(jié)構(gòu)用集成材的制作;e-44環(huán)氧樹脂膠和固化劑650聚酰胺樹脂，用于角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的膠合連接。1.2圓形木柱的設計試驗設計了兩組角鋼-集成材L形組合柱截面尺寸，如圖1所示，同時設計了與L形柱橫截面積相近的方形木柱作為對照組。其中L-S100和L-S125為角鋼集成材L形柱，S-W196為方形木柱。L形柱和木柱使用的角鋼類型、試件長度和截面面積如表2所示。1.3角鋼-集成材安裝1)結(jié)構(gòu)用集成材制備。將SPF規(guī)格材使用水性乙烯基聚氨酯膠黏劑膠合，膠黏劑涂抹量250g/m2)結(jié)構(gòu)用集成材開槽。將制作好的結(jié)構(gòu)用集成材進行銑形并開槽成截面形狀為圖2所示、標注為1和2的兩根木柱，并使兩根木柱相互垂直相接。木槽與角鋼為間隙配合，間隙為0.5mm。木柱2與熱軋等邊角鋼(圖中標注為3)角部內(nèi)圓弧相接觸的部分倒圓角，半徑與熱軋等邊角鋼內(nèi)圓弧半徑相同(試件L-S100為12mm、試件L-S125為14mm)。3)施膠與組坯。將環(huán)氧樹脂e-44(6101)和聚酰胺樹脂按照1∶1的比例攪拌均勻，然后將攪拌均勻的膠黏劑填充至結(jié)構(gòu)用集成材1、2的槽內(nèi)后插入熱軋等邊角鋼3，使角鋼與結(jié)構(gòu)用集成材之間的空隙被填滿。涂膠時在兩根木柱1、2之間的連接部位也施加膠黏劑，使其緊密連接，組坯時角鋼對稱軸和組合柱對稱軸重合。4)加壓與校準。將已經(jīng)組坯完成的鋼木L形組合柱上下左右四面加壓，加壓溫度為30℃，加壓時間48h，加壓壓力3～10kgf/m1.4預加載和變形試驗軸壓試驗使用濟南方辰wAw-2500B500t作動器加載系統(tǒng)施加軸向荷載，參考美國標準ASTMD198-15《StandardTestMethodsofStaticTestsoLumberinStructuralSizes》，在正式加載之前，對安裝好的試驗柱進行預加載，保證加載系統(tǒng)和量測系統(tǒng)正常工作。正式開始試驗后以1mm/min的均勻速度進行加載，試件破壞后承載力降至最大荷載的80%時停止試驗。L形柱兩端用特制夾具夾緊以減小端部開裂對試驗結(jié)果的影響，夾具與試件之間使用113mm×113mm×100mm的木質(zhì)墊塊以確保加載時的穩(wěn)定性，如圖3所示。試件的位移計和應變片布置如圖4所示，采用東華測試公司DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行位移和應變的采集。在L形柱中央截面的各個方向黏貼標距為100mm的電阻應變片，記錄荷載作用下的應變;在柱腳兩側(cè)各安設一個位移計，記錄軸向壓縮位移;在柱的中央截面的4個方向各安設一個位移計，記錄跨中撓度值。對照組軸壓試驗加載制度與L形柱相同。2結(jié)果與分析2.1角鋼邊裂紋的分布試驗加載初期，試件各個方向的橫向位移相近，沒有明顯差別，說明在彈性階段，鋼木L形組合柱各截面均勻受力。隨著荷載的持續(xù)增加，柱體的木質(zhì)部分開始出現(xiàn)裂紋，此時柱體仍能繼續(xù)承擔荷載;當荷載繼續(xù)增大時，裂紋開始增多并擴大，試件L-S100裂紋出現(xiàn)在長邊處，而試件L-S125的裂紋出現(xiàn)在短邊處，這是由于L-S125試件的角鋼邊寬度較大、槽較深造成的。裂紋分為聚氨酯膠縫裂縫和木材本身開裂兩種。木材本身開裂時，長邊集成材出現(xiàn)側(cè)向鼓脹。試件各階段的破壞特征有所不同，圖5a和5b分別是試件L-S100和L-S125的最終破壞形態(tài):L-S100的集成材出現(xiàn)屈曲和斷裂，試件承載能力緩慢下降直到完全破壞，L-S125的集成材中間部位出現(xiàn)壓潰斷裂，試件失去承載能力。試件破壞后，兩塊集成材之間環(huán)氧樹脂膠層界面連接緊密，未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象;角鋼內(nèi)側(cè)與集成材的膠合界面有較為明顯分離，膠層分離處粘連有木材，角鋼外側(cè)與木材的膠合依然緊密;角鋼的屈曲形狀與集成材鼓脹形狀一致，這是由于在彈性階段時，角鋼的橫向變形受到木材的約束，屈曲受到限制，從而較好地和木材共同承擔荷載，而在試件破壞時，由于膠黏劑的使用，角鋼和木材之間共同作用，一起產(chǎn)生橫向變形，所以破壞形狀相似。壓彎后的試件鋼材的頂部高度略低于集成材。2.2試驗負荷位移曲線試件L-S100、L-S125和S-W196峰值荷載見表3，荷載-位移曲線見圖6，其中初期剛度取荷載位移曲線上0.1P2.3角鋼縱向應變分析通過在試件中部黏貼的應變片，獲取試件的截面應變分布情況(圖7)。試件在加載過程中，截面應變在彈性工作范圍內(nèi)呈線性增長，最早進入塑形形變的部位先產(chǎn)生鼓脹破壞。不同試件縱向的應變在截面內(nèi)分布不同，L-S100試件形心朝長邊方向產(chǎn)生偏壓，而L-S125試件沿形心向L形內(nèi)側(cè)偏壓。L-S100試件面積較小的柱肢的縱向應變更大，可能是由于L-S100角鋼在該柱肢內(nèi)的長度較短，導致膠合面積較小側(cè)集成材為較薄弱區(qū)，產(chǎn)生更大的應變，最早發(fā)生破壞與傾斜;L-S125試件的角鋼具有更大的邊寬度，使兩段集成材受力較為均勻，靠近兩柱肢端部應變均較大。膠縫對長邊應變的應變影響較小，說明環(huán)氧樹脂膠工作性能良好。所有試件的L形內(nèi)側(cè)應變均比長邊部位小，說明長邊是L形柱應力較為集中的地方。2.4試件結(jié)構(gòu)參數(shù)與彈性極限值的確定將試驗所得的L形柱周圍的應變值通過Matlab軟件，利用最小二乘法進行線性回歸模擬，得到柱軸心處的應變值，如表4所示?；趶椥粤W理論，組合柱的名義彈性模量可按下述公式計算:式中:E為名義彈性模量;E據(jù)此計算可知，L-S100的彈性模量E為16.8GPa,L-S125的彈性模量E為18.9GPa，試件L-S100和L-S125的計算值分別為理論值的94.9%和96.1%。公式(1)只考慮了兩種材料本身的彈性模量因素，而未考慮L形柱異形截面對試件彈性模量有所影響，因此引入截面異形系數(shù)K對公式進行調(diào)整，如式(2)所示:式中，K為截面異形系數(shù)?？梢钥闯鯧的取值和角鋼的邊寬度有一定正相關關系，因為角鋼邊寬度的增加可以改善L形柱異形截面對力學性能的不利影響。取K值為95%可以較好地擬合實際情況。根據(jù)試驗結(jié)果，角鋼的屈服標志著整個試件開始進入塑性階段;試件達到的極限承載力值與彈性極限值之間有明顯塑形形變階段，塑性強化作用較為明顯。將試件達到的彈性極限值作為組合柱的受壓承載力。由此可得鋼木組合柱的承載力計算公式為:式中:N2.5應力-應變本構(gòu)模型ANSYS有限元分析采用SOLID45各向異性塑性材料實體單元定義木材，SOLID185單元定義鋼材，劃分網(wǎng)格如圖8，邊界條件與試驗一致。選取云杉的材料參數(shù)作為集成材的力學參數(shù)，表5、6列出了集成材和鋼材所用的材料參數(shù)，其中集成材材料參數(shù)參考《WoodHandbook》。加載過程為力加載。L-S100的有限元模擬結(jié)果見圖9。軸向變形的模擬計算值為3.12mm，比試驗結(jié)果小14.33%～35.96%，這可能是由于有限元分析未考慮到木材在加載初期柱體端部的纖維細胞被壓密的情況。L形柱的兩端木柱柱肢處位移較大，這與試驗過程中測得的L形柱L-S125周圍各點應變值變化情況基本一致。取柱高度中央截面軸心節(jié)點的應變和應力繪制應力-應變曲線，與試驗結(jié)果的對比如圖10所示。從圖中可看出，應力-應變曲線的模擬值與試驗值的發(fā)展趨勢基本一致。初始階段模擬彈性模量比試驗值的彈性模量小，可能由于鋼材與木材之間設置的接觸對面積較大，產(chǎn)生較大的界面應力帶來的誤差。實際試驗中由于加工以及端面的個體差異，初始斜率大小呈現(xiàn)略微差異，在彈塑性階段應力-應變曲線擬合程度最好。取加載點處的豎向位移繪制荷載-位移曲線，如圖11所示，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。模擬彈性模量與試驗值和理論計算值的對比見表7。從表中可發(fā)現(xiàn)角鋼邊寬度越大，鋼木L形組合柱模擬所得的彈性模量越大，與試驗結(jié)果以及理論計算結(jié)果一致，誤差在10%以內(nèi)，ANSYS有限元模擬結(jié)果基本可靠。3l形組合柱的強化和完善1)角鋼-集成材L形組合柱相對于同截面面積