带蒙皮组合木结构的面外屈曲分析

1、带蒙皮组合木结构的面外屈曲分析摘要：由于具备良好的抗震性能，木结构具有广阔的应 用前景。但木结构的蒙皮效应还鲜有研究。本文首次分析蒙 皮效应对木结构屈曲荷载的影响，以一带蒙皮木组合板为研 究对象，运用有限元分析软件 ANSYS对其进行面外非线性屈 曲分析，并与无蒙皮木组合板的结果进行对比。数值计算表 明，带蒙皮组合板对屈曲荷载在不同的边界条件下均有提高 作用。关键词：蒙皮效应；木结构；抗震；非线性屈曲分析； 屈曲荷载中图分类号： U661.43【文章编号】 1627-6868 （2016）05-0035-03Abstract Because of well anti-seismic perfo

2、rmance ， wood structure has wide application prospect. On the other hand ， in China the skin effect of wood structure is still relatively blank. This paper firstly analyses the influence of skin effect on the buckling load of wood structure. Based on a combinated wood structure with skin ， finite el

3、ement analysis software ANSYS is used for surface buckling analysis of this wood structure. Whatever ， its result is compared to those of non-skincombinated wood structure. Numerical calculations show that the combinated wood structure with skin improves the buckling load under different boundary co

4、nditions.Keywords： skin effect ； wood structure ； anti-seismic ； nolinear buckling analysis ； buckling load引言2008年 5月四川汶川 8.0级大地震、 2010年 4月青海玉 树 7.1 级大地震、 2013 年 4 月四川芦山 7.0 级大地震 地震造成了严重的人员伤亡和物质财产损失，给人们和国家带来 巨大的伤害。木结构由于自身重量轻，地震时吸收的地震力 也相对较少，具有良好的抗震性能，而其力学性能，特别是 屈曲性能，在抗震中是极其重要的。蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和

5、墙板） 利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。蒙皮 结构具有较大承载力及刚度，而自重却很轻，蒙皮效应应用 于抗震上将具有很大优势。而在我国，木结构的蒙皮效应一 直被忽略，相应的研究还相对空白。本文以一带蒙皮木组合板为研究对象，运用有限元分析 软件ANSYS对其进行面外非线性屈曲分析，并与无蒙皮木组合板的结果进行对比。 此分析中， 只考虑几何非线性的因素， 忽略材料非线性和初始缺陷的影响。经分析，发现蒙皮效应 对屈曲荷载在不同的连接方式下均有提高作用，为蒙皮效应 在木结构抗震上的应用提供了一定的参考。1.构件和有限元模型1.1 构件介绍木结构组合板如下图1所示。结构尺寸为 1.8 x

6、1.22m , 由 9 根 1.22 x 0.05 x 0.02m 的横梁和 3 根 1.8 x 0.04 x 0.025m 的纵梁组成。轻质泡沫板填充于上下六根纵梁之间。上层横 梁之上覆盖 3mm 厚的蒙皮木质板，下层横梁之下先覆盖 9mm 厚的石膏板，再覆盖 3mm 厚的蒙皮木质板。蒙皮板和 纵梁、横梁之间采用铆钉连接。1.2 有限元模型为研究蒙皮效应对木结构屈曲性能的影响，所分析的构 件分为两种结构，第一种如上所述的标准木组合板，称作带 蒙皮木组合板，另一种为去掉蒙皮板和石膏板之后的主体结 构（只有横梁、纵梁和填充泡沫） ，称作无蒙皮木组合板。 本文采用通用有限元分析软件ANSYS12.

7、1对两种构件进行非线性屈曲分析。蒙皮板和纵横梁均采用三维八节点实体单元 SOLID45模拟。由于泡沫板和石膏板的弹性模量远小于木材， 因此忽略二者的影响。蒙皮板和纵横梁主要在纵纹方向受力， 将其等效为各向同性的匀质材料，并参考文献 1，顺纹方向 的弹性模量取 1 0000MPa ，泊松比取 0.03。采用矩阵单元 MATRIX27模拟横梁与蒙皮板的铆钉连接，根据文献2，铆钉连接的竖向刚度取 1000KN/m，横向刚度取 200KN/m。有限元模型如下图 2 所示屈曲分析类型为面外非线性屈曲分析，约束和荷载都施 加在构件厚度方向的纵侧面，有刚接和铰接两种边界条件， 特征值屈曲分析时，施加 1KN

8、 的荷载，非线性屈曲分析时， 施加相应的一阶特征值屈曲荷载。即如下图 1 所示，铰接约 束时，上下端面均铰接，而荷载施加于其中一端面；刚接约 束时，荷载和约束各施加于其中一端面。2.数值结果与讨论运用有限元分析软件 ANSYS分别对两种边界条件下的两 种构件进行面外特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，得到对 应的特征值屈曲荷载和非线性屈曲荷载，如下表 1 所示。非 线性屈曲分析中的力 -位移曲线如下图 3 所示。由ANSYS分析所得的结果可知，蒙皮效应对木结构的屈曲性能有一定的贡献。其中，对于刚接木组合板结构，蒙皮 效应能提高木结构 12.7%的特征值屈曲荷载和 18.2%的非线 性屈曲荷载； 对

9、于铰接木组合板结构， 蒙皮效应能提高其 15.5% 的特征值屈曲荷载和 3.7%的非线性屈曲荷载。4.结论本文通过有限元软件 ANSYS建立了无蒙皮木组合板和带 蒙皮木组合板结构实体模型，分别在刚接和铰接边界条件下，对其屈曲性能进行对比。经分析，发现蒙皮效应能提高木结构的屈曲性能，使其具有更好的抗震性，为蒙皮效应在木结构抗震上的应用提供了一 定的参考。参考文献1 王新敏.ANSYS工程结构数值分析北京.人民交通出 版社， 2007.2 李雪梅 .基于有限元法木材力学性能模拟及优化设计 研究D.内蒙古农业大学，2009.3 陈松来、陈志勇、樊承谋、潘景龙、王焕定 .木结构 剪力墙中钉连接的实验研究 J.中山大学学报（自然科学版）， 2008.47（4）：133-138