螺栓排列方式对钢—竹组合柱承载力的影响★

杨佳奇 张 安 王 兰 韩 波 王 维 张秀华

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



螺栓排列方式对钢—竹组合柱承载力的影响★

杨佳奇 张 安 王 兰 韩 波 王 维 张秀华

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

采用有限元分析软件ABAQUS，建立了冷弯薄壁方钢管—重组竹组合柱模型，并确定了其荷载与边界条件，分析了螺栓排列方式对组合柱承载力的影响，为后续该结构的研究提供了依据。

钢—竹组合柱，有限元分析，螺栓排列方式，承载力

近年来我国经济飞速发展，人们对生活条件的要求逐渐提高。建筑行业也越发受到重视，但是随着建筑面积不断扩大，建筑能耗也随之增加，水泥、钢筋等建筑材料的耗量越来越多，而这些燃料的总储量有限，并非取之不尽。现代社会对新型材料或新型组合形式的需要越来越迫切。因此，绿色、可再生的新型建筑材料在建材行业层出不穷[1]。传统木结构建筑跨度小、高度低，目前应用也不是很广泛，但是钢—竹组合结构能够打破木结构存在的一些缺陷，满足现代建筑对材料提出的更高需求。同时钢结构建筑的稳定性和承载力得到提高，并且得到了充分的利用，满足了现代社会对建筑业提出的绿色、可持续发展的要求[2]。课题组人员通过运用有限元软件ABAQUS对钢—竹组合柱进行有限元分析，通过分析模型探究螺栓的排列方式对组合柱承载力的影响，为后续的研究工作做参考。

1 钢—竹组合柱有限元分析

1.1 材料的本构关系

进行有限元软件分析前，首要明确组合柱中型钢与重组竹两种材料的本构模型关系。为更好分析组合柱受力性能，依据冷弯薄壁型钢和重组竹两种材料的材性，暂取其作为本分析中的材料属性。重组竹泊松比的取值参考已有文献资料暂取0.3[3-5]。具体两种材料参数如表1所示，方钢管和重组竹简化的本构模型关系如图1所示。

表1 材料参数

1.2 建立分析模型

以组合柱试件建立模型，利用“拉伸”操作创建方钢管、重组竹板、螺栓三维部件。依据前文数据输入两种材料的已知参数，完成创建截面属性操作，选择均质实体，再为已绘部件赋予属性。最后利用“装配”模块组装组合柱。

组合柱单元选取，钢板、重组竹板与螺栓均采用四节点线性四面体单元C3D4，并为各部件划分网格，其特征值为25。纯型钢柱、纯重组竹材柱使用八节点线性六面体的减缩积分单元C3D8R，使用结构划分技术。组合柱有限元模型如图2所示。

1.3 定义荷载及边界条件

参考试验情况，设定柱底端部约束及柱顶施加荷载。柱底约束X,Y,Z所有方向的自由度，保持位移、转角不变。柱顶面采用与参考点耦合的方式，故荷载的施加转移为对控制点进行。边界条件与控制点的设置如图3所示。

2 螺栓排列方式对组合结构的影响

以图2组合柱模型为基础，在方钢管厚度、重组竹厚度、边界条件等条件不变的基础上，仅将螺栓布设方式改为一字形布置和五饼形布置，进行有限元分析。分别列举两种螺栓排布方式不同的组合柱应力云图及对比曲线，如图4,图5所示。

从图5中可知，螺栓采用梅花形、一字形、五饼形的排列方式时，组合柱的承载力基本相同。说明螺栓排列并不能明显影响组合柱的承载力，螺栓的主要作用为限制由于钢—竹粘结的受损面过大引起的竹材变形。

3 结语

钢—竹组合结构是一种新型的结构形式，组合结构不仅性能

优良，而且更为绿色，更为经济环保。课题组通过有限元软件ABAQUS建立模型来研究不同的螺栓排列方式对组合结构承载力的影响，经过分析得出以下结论:1)对组合柱施加荷载的过程中，五饼形、一字形和梅花形等螺栓排列方式的组合柱的荷载—位移曲线的弹性阶段基本吻合，说明建立的ABAQUS模型准确可行。2)螺栓排列方式对组合柱承载力几乎无影响，为后续钢—竹组合结构研究提供参考依据。

[1] 张秀华，鄂 婧，李玉顺,等.重组竹抗压和抗弯力学性能试验研究[J].工业建筑，2016，46(1):7-12.

[2] 李玉顺，张家亮．钢竹组合构件及其结构体系研究进展[J].工业建筑，2016，46(1):1-6，19．

[3] 丁健伟.冷弯薄壁型钢-竹木复合板工字型组合柱轴压性能研究[D].南京:南京林业大学,2013.

[4] 赵卫锋,张武东,周 靖，等.薄壁方型钢管-竹胶板组合空芯柱轴心抗压性能[J].农业工程学报,2014,30(6):37-45.

[5] 张武东.薄壁方型钢管-竹胶板空芯组合柱轴压力学性能研究[D].湘潭：湘潭大学,2014.

Influence of bolt arrangement on bearing capacity of steel-bamboo composite column★

Yang Jiaqi Zhang An Wang Lan Han Bo Wang Wei Zhang Xiuhua

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper adopts ABAQUS, the finite element software to establish the model of thin-walled cold-formed steel-regrouping bamboo composite column, identifies its loading capacity and boundary conditions, and analyzes the influence of the bolt arrangement on the loading capacity of the combined column, so as to provide some reference for the research on the structure.

steel-bamboo composite column, finite element analysis, bolt arrangement means, bearing capacity

1009-6825(2017)14-0022-02

2017-03-06★:国家级大学生创新项目(项目编号：201610225058)

杨佳奇(1995- )，男，在读本科生; 张 安(1996- )，男，在读本科生; 王 兰(1996- )，女，在读本科生; 韩 波(1994- )，男，在读本科生; 王 维(1995- )，男，在读本科生; 张秀华(1970- )，女，硕士生导师，副教授

TU312

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