【摘 要】
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钢木组合柱是一种新型的装配式构件,其中钢板是主要的受力构件,木板为组合构件提供侧向刚度,承载能力高但容易屈曲失稳的钢材,在与木板组合形成组合构件后,能够充分地发挥各自的优势,弥补各自的缺点,因此钢木组合柱具有强度高、稳定性好的特点,应用前景广泛。国内外对组合构件进行了一定的研究讨论,但是钢木组合构件的非线性分析理论研究尚不完善,因此对钢木组合柱进行非线性全过程分析是具有深远意义的。装配式构件已在我
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钢木组合柱是一种新型的装配式构件,其中钢板是主要的受力构件,木板为组合构件提供侧向刚度,承载能力高但容易屈曲失稳的钢材,在与木板组合形成组合构件后,能够充分地发挥各自的优势,弥补各自的缺点,因此钢木组合柱具有强度高、稳定性好的特点,应用前景广泛。国内外对组合构件进行了一定的研究讨论,但是钢木组合构件的非线性分析理论研究尚不完善,因此对钢木组合柱进行非线性全过程分析是具有深远意义的。装配式构件已在我国城市建设中得到了广泛的应用,对钢木组合构件的截面尺寸进行优化,不仅降低了工程造价,对钢木组合构件在实际工程中的推广具有非常重要的意义。本文所做的主要工作与结论如下:(1)根据已有的钢木组合柱偏心受压试验,基于合理的H型钢和木材的本构模型,建立了钢木组合柱截面的受力平衡方程和弯矩平衡方程。采用MATLAB编写了钢木组合柱截面全过程分析计算程序,得到了弯矩-曲率关系曲线;同时在组合柱截面全过程分析的基础上,编写了钢木组合柱构件非线性全过程分析计算程序,计算了组合柱的极限荷载和挠度,并将计算值与试验结果进行对比,误差在允许范围之内,说明钢木组合柱非线性全过程分析的理论计算方法是可行的。(2)结合已有试验,采用ABAQUS有限元软件对钢木组合柱进行有限元分析,得到荷载-挠度曲线,并将有限元分析分别与试验以及理论计算进行对比研究,结果较为吻合,说明有限元建模一定程度上能够替代试验对钢木组合柱简化分析。(3)在有限元建模的基础上,研究了 H型钢腹板高度和厚度、翼缘厚度以及落叶松木板厚度四个截面参数对钢木组合柱力学性能的影响。分析表明,对钢木组合柱受力性能影响最大的截面参数为H型钢腹板高度,其次为H型钢翼缘厚度、落叶松木板厚度和H型钢腹板厚度。(4)以H型钢腹板高度、腹板厚度和翼缘厚度以及落叶松木板厚度四个截面参数为设计变量,以钢木组合柱的最大挠度、H型钢最大应力和落叶松木板最大应力作为状态变量,将组合柱的造价作为目标函数,基于ABAQUS参数化设计语言,采用结构尺寸优化算法,编制了参数分析和参数优化控制文件,对钢木组合柱进行了截面优化设计。经过优化,得到了组合柱最优截面设计方案,其中H型钢腹板高度、腹板厚度和翼缘厚度以及落叶松木板厚度分别为177.86mm、6mm、6mm、43.91mm,组合柱造价从1196.88元降低到了 641.93元,仅为初始造价的53.63%,节约了 554.95元,说明优化方法效率高,优化效果显著。
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