两向胶合木梁索结构的机械行为研究

研究背景及主要信息

这是一篇由 Jingxian Zhao、Hongbo Liu 等联合完成的科研论文，发表于 *Journal of Building Engineering*（Volume 87, 2024），在线发布日期为 2024 年2月28日。该论文由天津大学、河北工程大学、四川建筑设计研究院等研究机构合作完成，主要探讨了一种新型的结构形式——两向胶合木梁索（two-way glulam beam string）结构的机械行为。

学术背景

本研究属于土木工程结构领域，聚焦于低碳建筑材料的高效应用，特别是基于胶合木（glulam）的创新结构开发。胶合木材料由于其环保性、高强重比、机械稳定性以及美观性，已在多种大跨度建筑结构中得到了广泛应用。然而，传统的一向胶合木梁索（one-way glulam beam string）存在需要较多平面外支撑及稳定性不足的问题。针对这些不足，该研究提出一种新型的两向胶合木梁索结构，旨在增强结构的侧向刚度和脱平面稳定性，同时减少对平面外支撑的需求，为胶合木结构在低矮跨高比场景中的应用提供可能。

研究目的

该研究的主要目标是探讨两向胶合木梁索结构的机械行为，通过实验和数值模拟验证并提升其承载性能，对其失效模式及设计参数进行全面分析，并基于 Rayleigh-Ritz 方法提出其最终承载力的计算方法，以期为相关工程应用及设计提供理论指导。

研究详细流程

实验阶段 1. 实验样品设计 - 设计的两向胶合木梁索结构包含三大组成部分：上部胶合木梁、胶合木支撑杆与下部钢索。 - 样品跨度为6000 mm，跨高比为1/15，下沉比为1/20。其中，上部曲梁截面为80 mm × 200 mm，支撑杆截面为80 mm × 80 mm，均由道格拉斯杉胶合木制造。 - 所有的连接件使用Q345级钢板和M10螺栓，钢索选用直径为15 mm的7股钢绞线。

1. 实验加载及测试设置

   • 通过九点加载实验验证结构性能，加载配置由五个液压千斤顶和平衡平台组成，确保均匀分布加载。
   • 采用8个位移传感器记录关键位移点数据，并用应变片测量上部胶合木梁的平行纤维方向应变。
   • 同步张拉钢索以生成设计所需预拱度，该预拱度设置为 L/250，对应初始预张力为11.02 kN。

2. 材料性能测试

   • 根据 ASTM D143 标准，对胶合木材料进行了顺纹及横纹压缩强度、弹性模量和抗剪强度测试，每项测试均以12个样本为基础。
   • 测试结果表明，胶合木的顺纹压缩强度为46.5 MPa，而横纹压缩强度为5.6 MPa。

3. 破坏模式及负载-位移曲线

   • 结构的主要破坏出现在上胶合木梁中点，以压缩裂纹和拉力裂纹形式表现，最初发生在螺栓线上，随后裂纹扩展至整个截面。
   • 负载-位移曲线分为弹性阶段和弹塑性阶段。在弹性阶段（承载力的70%以下），位移与载荷呈线性关系；而在弹塑性阶段达到极限承载力后，载荷逐渐下降，表明系统失稳。

数值模拟阶段 1. 有限元模型的建立 - 使用 ABAQUS 软件构建三维有限元模型，各组件采用异构模型进行模拟。上胶合木梁和连接节点使用八节点实体单元（C3D8R），而下钢索通过一维梁单元（B31）建模。 - 使用约束元件模拟转轴连接，并定义摩擦系数以模拟钢材与胶合木之间的接触行为。 - 模型中全局网格尺寸设为20 mm，螺栓附近的网格精度提高至10 mm，以确保计算精度。

1. 模拟结果验证
   • 通过有限元数值分析成功再现实验现象，模拟的负载-位移曲线与测试数据吻合良好，相对误差为7.16%，验证了该模型对材料力学性能的良好预测能力。
   • 模拟表明，上梁的约75%截面处于压缩状态，这充分利用了胶合木在压缩方向上的优越性能。

参数分析 研究分析了不同钢索直径对承载力的影响。结果发现： - 增加钢索直径可以显著提高结构的承载力，但提升幅度会递减。例如，钢索直径从15 mm增加至17 mm，承载力增长18.69%；而从17 mm增加至19 mm，仅增长6.93%。 - 当钢索直径较小时，结构失效模式主要表现为钢索断裂；随着直径增大，失效模式转变为上部螺栓节点的破坏。

理论算法推导 - 基于 Rayleigh-Ritz 方法，研究导出了结构在预应力及均布竖向载荷下的位移解析解，并提出极限承载力计算公式。 - 推导表明，承载力由下部钢索拉断（失效模式I）或上部螺栓节点破坏（失效模式II）决定，优先设计成失效模式II结构能最大化承载性能。

研究主要结果

• 性能提升显著：与一向胶合木梁索结构相比，两向胶合木梁索在无显著刚度提升需求的情况下，承载力提高了86.21%。
• 逐渐转变的失效模式：当钢索直径增加时，失效模式从钢索断裂转变为螺栓节点破坏，验证了该结构在多种设计条件下的稳定性。
• 有限元仿真有效性：有限元模型高度模拟了实验证据，兼具理论预测及工程指导意义。

研究的意义及应用价值

该研究通过提出并验证两向胶合木梁索结构的性能，显著优化了胶合木在大跨度建筑中的应用潜力，尤其适用于低矮跨高比的建筑结构。研究结果展示了该结构形式的技术可行性，为设计实践提供了完整的理论及实验依据。提出的理论模型为大跨度低碳建筑的设计手册提供了指导，可广泛用于节能、绿色建筑及公共设施的建设。

研究亮点

• 在增强胶合木梁索结构稳定性与承载力方面具有里程碑式的进展。
• 强调了跨学科合作与数值模型的重要性，提出了基于 Rayleigh-Ritz 方法的创新设计计算方法。
• 为工程设计与计算提供了丰富且可靠的实验与理论支撑。

前瞻性展望

随着该结构在工程中的逐步应用，可以进一步探索： 1. 在复杂载荷条件下的整体力学行为； 2. 更多工程案例的试验验证； 3. 进一步改进胶合木节点连接方式以优化制造流程。