不同腹板厚度下双腹式钢木组合柱的轴压性能研究

摘要：为研究不同腹板厚度下双腹式钢木组合柱轴心受压时的承载能力，对双腹式钢木组合柱进行有限元分析，量化了不同腹板厚度下双腹式钢木组合柱的理论承载力，提出了以腹板厚度为变量的双腹式钢木组合柱最优的截面尺寸。结果表明，双腹式截面腹板厚度在7.5mm左右时，钢木组合柱的承载力最高，且钢结构与木结构同时达到屈服强度，延性系数满足要求，实现了木材和钢材的高效结合。

关键词：钢木组合柱；双腹式截面；腹板厚度

1 引言

随着我国经济与社会的高速发展，人们对生活质量需求的提高，建筑物渐渐趋向于大跨度、超高层方向，钢结构由于其轻质高强、绿色环保等众多优势在我国建筑领域得到了蓬勃发展。而工字钢作为钢结构体系中应用最广泛的一种构件，在大跨高层结构体系中侧向抗弯能力低，腹板的高厚比被不断提高，但同时腹板极易发生局部失稳，钢材的屈服强度不能得到充分利用。因此，在实际工程中，需要对工字钢设计加劲肋或者增加腹板厚度来保证整体稳定性，但是会浪费大量钢材。木材作为传统的绿色建材，凭借质量轻、强重比高、可再生且能够多次循环利用等优点越来越为人们所关注，但其也存在易变形、易产生裂缝、弹性模量低等问题，通过将钢材与木材结合在一起形成新型的钢木组合结构，集两者的优点于一体，互相弥补各自的缺点，协同工作，高效发挥各自材料的性能，降低经济成本。

工字钢作为钢结构工程中最主要的构件类型之一，工字形截面的钢木组合结构是近几年发展起来的一种新型截面组合形式，许多学者对此开展了大量研究。如李彤桐[1]等设计了工字型薄壁钢胶接方木的组合截面梁，研究发现此钢木组合梁具有良好的承载能力，并改善了普通木梁脆性破坏的特点；陈爱国[2]等提出一种以焊接H形钢梁为骨架，钢梁翼缘外表面粘接木板的钢木组合梁，研究了木板厚度、腹板高度以及钢梁翼缘厚度及宽度对试件承载力的影响，并表明组成的工字形截面钢木组合梁整体性能优良，通过木材提高了组合梁的侧向刚度，避免结构整体侧向失稳；刘德贵[3]等对内置薄壁H形钢木组合梁进行受弯试验，并提出合理增加木板的厚度、减少抗剪栓钉的间距能明显提高组合梁的受弯承载力。以上学者对于工字形钢木组合结构的研究多为单腹板形式，但是单腹板钢木组合结构极易在腹板部位发生破坏，为此在工字形钢木组合结构腹板增设加劲肋版，提高组合梁的承载力。苏正[4]等学者制作了一根足尺的双腹式钢木组合梁，通过静力试验及数值模拟分析可知组合梁具有较高的承载力、较好的延性特征，组合梁的承载力随腹板高度的增加提高显著，随着钢板厚度的增加而提高的程度有限。目前，钢木组合结构的连接方式多为螺栓、铆钉、粘接，Hassanieh[5]等对钢腹板-层合木翼缘组合梁分别采用螺栓、铆钉和粘接三种连接方式进行了四节点受弯试验，并分析了各种因素对组合梁承载力的影响。国内外学者[6-8]对于工字形截面钢木组合结构的组合形式、受力性能以及钢木组合结构的连接方式展开了大量研究并取得了极有价值的研究成果。本文将基于前期研究的基础上，继续对工字形截面钢木组合结构进行优化设计，将木块填充挤压在工字钢内部，形成新型的双腹式截面形式的钢木组合柱，减少打孔削弱，减少钢材用量同时增加结构的抗侧刚度。通过有限元软件分析不同腹板厚度对双腹式钢木组合柱承载力的影响，同时提出以腹板厚度为变量的，双腹式钢木组合柱最优的截面尺寸。

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型建立

利用有限元软件ABAQUS建立双腹式钢木组合柱模型，其中，tw为腹板厚度；h0为腹板长度（木块长度）；bw为木板宽度（双腹板内壁间距）；t为翼缘厚度；b0为双腹板外壁间距（b0=b1+2tw）；b为翼缘外伸间距；B为双腹式工字截面宽度（B=b0+2b）；H为双腹式工字截面长度（H=h0+2t）；l为双腹式工字截面高度。通过研究腹板厚度tw参数对双腹式钢木组合柱力学性能的影响，建立12个有限元模型，其中双腹式钢木组合柱模型编号为Z1-Z6，如表1所示。双腹式钢模型编号为S1-S6，与组合柱的截面尺寸相同。双腹式钢木组合柱是由双腹式工字钢、纯木柱、上下垫板三部分组合而成，将纯木柱通过挤压填充的方式放置于双腹式工字钢内部。创建部件时均采用三维实体单元，并按照表1的尺寸创建部件。

2.2 材料属性

钢材级别选用Q235，不考虑材料的屈服与强化阶段。木材本身属于各向异性材料，鉴于其本构关系较为复杂，因此假定木材的主轴为纵向、横向、弦向三个方向，即将木材简化为正交各向异性材料。木材选用的是樟子松，纵向和弦向的力学性能相差较大，ABAQUS建模时需指派木材的材料方向，用工程常数定义木材弹性阶段的材料属性，通过基本的木材材料力学性能试验获得樟子松三个方向的弹性模量E1、E2、E3，泊松比ν12、ν13、ν23和受剪弹性模量G12、G13、G23，其中下标1、2、3分别表示木材的纵向、横向和弦向，见表2。

2.3 边界条件与荷载

双腹式钢木组合柱数值模拟的加载方式采用位移控制法，钢木组合柱上下表面与垫板的接触为绑定约束，因此在上部垫板设置参考点RP-1，并施加位移荷载。边界条件为上部垫板铰接，约束五个自由度（U1=U2=UR1=UR2=UR3=0），只允许竖向U3方向的移动；下部垫板完全固定，约束六个自由度（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）。

3 腹板厚度tw数值分析

3.1 荷载-位移曲线

针对不同腹板厚度下双腹式钢木组合柱的荷载-位移曲线图进行分析，双腹式钢保证其他参数不变的情况下，只改变腹板厚度tw，。组合柱试件Z1-Z6选取腹板厚度tw分别为2mm、4mm、6mm、7mm、7.5mm、8mm，不同腹板厚度下组合柱荷载-位移（P-ƒ）曲线对比如图1所示。由图可见，组合柱试件Z1-Z3承载力随腹板厚度增加呈比例显著提高，但是提高程度有限，试件Z4、Z5承载力增长幅度明显下降，试件Z6相较于试件Z4、Z5承载力并没有提高，反而随腹板厚度增加承载力下降。由图分析可知，当腹板厚度为7.5mm时，双腹式工字钢木组合柱的承载力最大。双腹式钢柱试件S1-S6同样选取腹板厚度tw分别为2mm、4mm、6mm、7mm、7.5mm、8mm，不同腹板厚度下纯钢柱荷载-位移（P-ƒ）曲线对比如图2所示。由图可见，纯钢柱试件S1-S3承载力随腹板厚度增加也呈比例显著提高，试件S4-S6承载力随腹板厚度增加有所提高，但是增长比例大幅降低。组合柱试件Z1-Z6的荷载-位移曲线斜率和承载力明显大于纯钢柱试件。合理加大双腹式工字钢的腹板厚度tw，可使双腹式工字钢木组合柱的竖向承载力和刚度得到一定程度的提高，但是腹板增加到6mm之后对承载力的提高不显著，超过7.5mm反而会下降，其中腹板厚度为7.5mm的双腹式工字钢木组合柱的竖向承载力和刚度最大。

3.2 受压承载力

不同腹板厚度下纯木柱、双腹式钢与双腹式钢木组合柱的屈服值与极限承载力的对比曲线，分别如图3、图4所示。

由图3可知，钢木组合柱与纯钢柱屈服值变化趋势相似，相较于纯钢柱屈服值分别提高了73.7%、36.6%、22.9%、18.2%、16.1%、13.9%，钢木组合柱屈服值随腹板厚度按比例增加直至腹板厚度为6mm，之后屈服值缓慢增加到1296.58kN达到最大值。纯木柱屈服值在腹板厚度为2mm时达到最大值，随着腹板厚度增加，相应的木块尺寸减少，屈服值缓慢降低，钢木组合柱的屈服值介于纯钢柱与纯木柱之间；当腹板厚度为4.5mm时，木柱的屈服值曲线与钢木组合柱曲线相交，两者屈服值相同；直至达到腹板厚度为7.5mm时，木柱的屈服值曲线与纯钢柱曲线相交，两者同时开始屈服，相应点钢木组合柱的屈服值达到最大。由图4可知，钢木组合柱的极限承载力远大于纯木柱与纯钢柱的极限承载力，纯钢柱的承载力随腹板厚度的增加而提高，纯木柱的承载力随木块宽度的减少而降低，钢木组合柱的极限承载力随腹板厚度变化呈抛物线分布，当腹板厚度为7.5mm时，极限承载力达到最大值。主要是纯钢柱与纯木柱在腹板厚度为7.5mm同时达到屈服值，两者的强度得到充分利用，组合柱的承载力得到显著提高。

3.3 延性

双腹式工字钢木组合柱试件Z1-Z6的位移延性系数均达到3.0以上，由上图分析可知，试件Z5中的双腹式工字钢与木柱同时达到屈服，此时试件Z5的位移延性系数最大，随着腹板厚度继续增加，试件Z6的位移延性系数反而降低。因此当双腹式工字钢木组合柱腹板厚度为7.5mm时，组合柱具有良好的延性。双腹式工字钢试件S1-S6的位移延性系数均低于1.2，其中最大位移延性系数为1.183，组合柱试件最大的位移延性系数为3.198，相较于纯钢试件提高170%。

4.结论

（1）纯钢柱试件S1-S3承载力随腹板厚度增加也呈比例显著提高，试件S4-S6承载力随腹板厚度增加有所提高，但是增长比例大幅降低。组合柱试件Z1-Z6的荷载-位移曲线斜率和承载力明显大于纯钢柱试件。

（2）合理加大双腹式工字钢的腹板厚度tw，可使双腹式钢木组合柱的竖向承载力和刚度得到一定程度的提高，但是腹板增加到6mm之后对承载力的提高不显著，超过7.5mm反而会下降，其中腹板厚度为7.5mm的双腹式工字钢木组合柱的竖向承载力和刚度最大。

（3）双腹式工字钢试件S1-S6的位移延性系数均低于1.2，其中最大位移延性系数为1.183，组合柱试件最大的位移延性系数为3.198，相较于纯钢试件提高170%。

参考文献：

[1]李彤桐，王超凡，洪浩凯，等.薄壁钢木组合梁承载力实验研究[J].山西建筑，2016，42（13）：35-36.DOI：10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2016.13.019.

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[3]刘德贵，王宇豪，温勇，等.内置薄壁H形钢-木组合梁受弯性能研究[J].建筑结构学报，2022，43（05）：149-163.DOI：10.14006/j.jzjgxb.2020.0593.

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