内置钢板-落叶松木组合柱偏心受压试验研究

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钢—木组合柱不仅从外观上表现为木材纹理、美观耐用,且组合柱中钢材厚度较小,木材可约束钢材屈曲变形,提高柱的承载力和刚度。本文结合钢材和木材各自优势,采用环氧树脂胶、螺栓将三块木板、两块内置Q235钢板进行组合,设计了一种内置钢板—落叶松木组合柱。通过改变组合柱的内置钢板厚度、偏心距、螺栓间距等参数,设计了不同类型的组合柱形式,并对其进行偏心受压试验,探讨内置钢板—落叶松木组合柱的力学性能;在试验基础上,基于ABAQUS有限元理论对组合柱进行了数值模拟分析,并对比研究了有限元与试验分析结果;同时在有限元模型的基础上进行参数扩展分析,研究了内置钢板厚度、屈服强度、螺栓强度、螺栓间距、长细比等参数对组合柱力学性能的影响,为内置钢板—落叶松木组合柱偏心受压极限承载力计算提供了依据。本文的主要工作如下:1)通过木材和钢材的材性试验,测定了落叶松木顺纹抗压弹性模量、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量、抗弯强度,Q235钢材的弹性模量、钢材屈服强度和极限强度,分析了材料的破坏机理,为有限元建模以及理论分析提供依据。2)通过改变组合柱的内置钢板厚度、偏心距、螺栓间距,设计了 7组内置钢板—落叶松木组合柱和1组纯木柱,进行了偏心受压试验,并对比分析了试件的侧向位移、应变以及破坏形式,探讨了组合柱的破坏机理。试验结果表明:内置钢板厚度、螺栓间距及偏心距对组合柱力学性能均产生较大的影响。随着内置钢板厚度增加,组合柱极限承载力得到明显提升;在一定范围内,当螺栓间距减小时,组合柱承载能力及初始刚度也逐渐增大;随着偏心距增加,组合柱极限承载力所对应的跨中侧向挠度也变得越来越大,构件侧向弯曲变形明显。试验对比分析表明,当钢木组合柱钢材厚度为6.75mm、螺栓间距为300mm,偏心距为25mm时力学性能最优。3)基于ABAQUS有限元理论,建立内置钢板—落叶松木组合柱模型,进行了有限元数值分析;并将模拟计算与试验结果进行对比研究,结果表明两者吻合较好。同时,在有限元分析基础上进行了内置钢板厚度、屈服强度、螺栓强度、螺栓间距、长细比等参数扩展分析,探讨内置钢板厚度、螺栓间距及长细比对组合柱整体力学性能的影响。4)基于试验及有限元结果,参考叠加理论提出了内置钢板—落叶松木组合柱偏心受压极限承载力计算公式。将公式计算值与试验值、有限元数据进行对比,三者吻合较好。该计算公式算法简单,为推广钢木组合柱提供了理论参考。
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