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《重慶建筑雜志》2014年第八期

1ANSYS有限元模型

本文運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS，采用APDL語(yǔ)言編寫命令流文件建立掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)的三維有限元模型。

1.1模型幾何尺寸的確定輕型木結(jié)構(gòu)中，主次梁最常使用的是規(guī)格材，該模型選用SPF（云杉—冷杉—松）。根據(jù)實(shí)際工程的常用尺寸，主梁的截面尺寸為76mmx235mm，次梁的截面尺寸為38mmx235mm。結(jié)合UBC大學(xué)提出的長(zhǎng)度確定經(jīng)驗(yàn)公式[6]、ASTMD7147-11的要求以及北美掛鉤件生產(chǎn)商的建議，最后確定模型的主梁長(zhǎng)度為600mm，次梁長(zhǎng)度為610mm。該模型中釘節(jié)點(diǎn)在橫紋垂直于主軸、順紋沿主軸和橫紋沿釘桿三個(gè)方向的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，均來(lái)源于直徑為3.3mm、釘桿長(zhǎng)度為63.5mm的釘節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)[7]。掛鉤件的厚度按照美國(guó)板料厚度級(jí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，常用的有三種：18Ga（1.2mm）、16Ga（1.5mm）和14Ga（1.9mm），該模型選用1.9mm厚的鋼板。掛鉤件一般由正面翼、側(cè)面翼和底板構(gòu)成，如圖1所示，掛鉤件尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2單元類型和材料屬性的選擇主梁、次梁和掛鉤件采用三維實(shí)體單元SOLID45模擬，其中，木材假定為正交各向異性的彈性材料；鋼材假定為各項(xiàng)同性的理想彈塑性材料，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型采用Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。木材與鋼材的材性如表2所示。釘和釘周木材之間的相互作用采用彈簧單元COMBIN39模擬。將釘子簡(jiǎn)化到鋼板和木材的接觸面上，并將釘入木材的釘桿長(zhǎng)度方向上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。每個(gè)釘?shù)牧W(xué)性能由X、Y、Z三個(gè)方向的力—位移曲線來(lái)定義，所以需要三個(gè)軸向彈簧單元才能完整模擬一個(gè)釘。三個(gè)彈簧單元的布置以及承受軸力的方向如圖2所示。COMBIN39單元實(shí)常數(shù)三個(gè)方向上的力—變形曲線的數(shù)據(jù)來(lái)源于釘節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，三個(gè)方向的彈簧單元?jiǎng)偠葏?shù)見(jiàn)圖3。掛鉤件底板內(nèi)表面和次梁底面在節(jié)點(diǎn)承受外荷載作用時(shí)存在接觸行為。該模型在該位置上設(shè)置接觸時(shí)，使用CON-TA173模擬作為接觸面的次梁部分底面，使用TARGE170模擬作為目標(biāo)面的掛鉤件底板內(nèi)表面。

1.3約束和荷載的確定模型參考ASTMD7147-11規(guī)定的掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)建立，利用對(duì)稱性取1/2節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，如圖4所示。并在主梁的兩個(gè)端頭截面約束豎向和側(cè)向位移，在主梁下表面約束豎向位移，在次梁端頭約束豎向和軸向位移。荷載施加在次梁的跨中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和ASTMD7147-11的規(guī)定，最后確定加載范圍長(zhǎng)度為210mm。在1/2模型中，取為105mm。

1.4合理性分析為正確預(yù)測(cè)掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，需驗(yàn)證這種建模的合理性。用同樣的建模方式對(duì)Berkoh的掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)建立有限元分析模型，并和其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[8]。有限元分析模型得到的荷載—位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5。由圖5中可以看出，兩者的分布是較為接近的。有限元得到的極限荷載為23.67kN，10組試驗(yàn)結(jié)果得到的平均值為25.36kN,誤差為6.7%。說(shuō)明這種建模方式是可以較合理地模擬掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度。

2影響因素和破壞模式分析

在前述模型的基礎(chǔ)上使用相同的建模方法，改變可能影響掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)承載力的因素，分析它們對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。本文研究的影響因素分為三類：（1）主次梁使用的樹種類型、掛鉤件鋼板厚度和次梁厚度；（2）和主梁釘有關(guān)的因素，即主梁釘橫紋間距、順紋間距、單列釘個(gè)數(shù)等；（3）和次梁釘有關(guān)的因素，即次梁釘橫紋間距、順紋間距、單列釘個(gè)數(shù)等。將前述模型命名為H1，建立H2-H16共15個(gè)對(duì)照組，各組參數(shù)如表3所示。各組荷載位移曲線如圖6所示。有限元分析結(jié)果顯示：（1）使用高性能的樹種能提高節(jié)點(diǎn)的剛度；（2）主次梁釘?shù)膫€(gè)數(shù)和彈簧單元?jiǎng)偠葏?shù)（釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度）是影響節(jié)點(diǎn)承載力的主要因素；（3）其它因素對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度并沒(méi)有顯著影響。其中，H8、H9和H10研究主梁上釘?shù)膯瘟袀€(gè)數(shù)、列數(shù)以及彈簧單元?jiǎng)偠鹊挠绊懀籋14、H15和H16研究次梁上釘?shù)膯瘟袀€(gè)數(shù)、列數(shù)以及彈簧單元?jiǎng)偠鹊挠绊憽Ａ硗猓瑸楸阌趯?duì)比分析研究，對(duì)各個(gè)釘進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)原則如下：先主梁后次梁，按列從上到下進(jìn)行編號(hào)。分析對(duì)照H1、H8、H9和H10主梁釘?shù)膹椈闪Γ梢缘玫焦?jié)點(diǎn)的一種破壞模式。以H1為例，次梁釘節(jié)點(diǎn)受到的豎向剪力和水平方向的力均較低，沒(méi)有發(fā)生剪切破壞；靠近主梁上部的釘在外荷載較低時(shí)就發(fā)生了拔出破壞（如圖7所示）；隨著外荷載進(jìn)一步加大，掛鉤件底板發(fā)生了較大的應(yīng)變，部分區(qū)域和次梁底部木材脫開(kāi)，直到外荷載達(dá)到最大值時(shí)，主梁釘受剪破壞（如圖8所示），這時(shí)掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)也達(dá)到了極限承載力狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的最終破壞是由主梁釘節(jié)點(diǎn)區(qū)域的受剪破壞控制。而分析對(duì)照H1、H14、H15和H16的有限元結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減小次梁釘?shù)膫€(gè)數(shù)和降低模擬次梁的彈簧單元?jiǎng)偠葏?shù)后，主梁釘節(jié)點(diǎn)和次梁釘節(jié)點(diǎn)均沒(méi)有發(fā)生豎向的受剪破壞，節(jié)點(diǎn)的另一種破壞模式表現(xiàn)為掛鉤件鋼板的底板和側(cè)面翼下部靠近底板區(qū)域的破壞。根據(jù)前述有限元分析結(jié)果和其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果可知，掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)主要的破壞模式為：（1）主梁釘節(jié)點(diǎn)區(qū)域的受剪破壞；（2）掛鉤件底板及附近側(cè)面翼區(qū)域的大變形破壞；（3）次梁釘節(jié)點(diǎn)區(qū)域的受剪破壞。目前獲得掛鉤件節(jié)點(diǎn)的承載力值的方法主要是試驗(yàn)和計(jì)算兩種：北美地區(qū)生產(chǎn)商對(duì)各種型號(hào)的掛鉤件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)；歐洲則是通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得。基于我國(guó)木結(jié)構(gòu)工業(yè)現(xiàn)狀，若對(duì)種掛鉤件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間，通過(guò)借鑒歐洲方法[9]計(jì)算獲得節(jié)點(diǎn)承載力較為合理。然而基于有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，歐洲方法中存在一個(gè)問(wèn)題：可能會(huì)無(wú)法正確判斷發(fā)生破壞的位置而獲得錯(cuò)誤的承載力值。而引發(fā)這一問(wèn)題的根源在于：歐洲方法認(rèn)為次梁上的剪力全部由釘節(jié)點(diǎn)傳遞，不考慮掛鉤件底板附近區(qū)域與次梁的擠壓作用。由有限元分析結(jié)果可知，底板區(qū)域破壞可能會(huì)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的破壞，這個(gè)擠壓作用是不應(yīng)該忽略的。如果要借鑒歐洲方法，則需要解決這個(gè)問(wèn)題。

3結(jié)論及展望

本文利用ANSYS軟件對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)中的掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力有限元分析。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以得到以下結(jié)論。（1）主次梁釘?shù)膫€(gè)數(shù)、直徑和長(zhǎng)度是影響掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)承載力的主要因素，主次梁的木材種類是影響節(jié)點(diǎn)剛度的主要因素。（2）掛鉤件連接節(jié)點(diǎn)主要的破壞模式為：主梁釘節(jié)點(diǎn)受剪破壞，次梁釘節(jié)點(diǎn)受剪破壞，掛鉤件底板及附近側(cè)面翼區(qū)域的大變形破壞。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)的破壞模式與主次梁釘節(jié)點(diǎn)的承載力相對(duì)比值有一定關(guān)系。下一步的工作可以考慮提出一個(gè)參數(shù)來(lái)量化這個(gè)相對(duì)比值，作為判斷節(jié)點(diǎn)破壞模式的依據(jù)。并通過(guò)進(jìn)行一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)或有限元分析，使用統(tǒng)計(jì)方法校正不同破壞模式下參數(shù)的取值范圍。

作者：趙珂何敏娟單位：同濟(jì)大學(xué)建筑工程系