吉林大学学报(工学版) ›› 2024, Vol. 54 ›› Issue (12): 3513-3525.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20231169

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冷弯薄壁型钢-胶合木组合梁受弯性能

杨海旭(),郭悦,王海飙(),胡宜   

  1. 东北林业大学 土木与交通学院,哈尔滨 150040
  • 收稿日期:2023-10-30 出版日期:2024-12-01 发布日期:2025-01-24
  • 通讯作者: 王海飙 E-mail:yhxcumt@nefu.edu.cn;whbcumt@163.com
  • 作者简介:杨海旭(1973-),女,副教授,博士.研究方向:组合结构及工程抗震减震.E-mail:yhxcumt@nefu.edu.cn
  • 基金资助:
    中建集团研发青年项目(CSCEC-2022-Q-43);中国建筑科学研究院城市改造与智能运营工程研究中心项目(CSCEC-PT-015)

Bending performance of cold-formed thin-walled steel-glulam composite beams

Hai-xu YANG(),Yue GUO,Hai-biao WANG(),Yi HU   

  1. College of Civil Engineering and Transportation,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China
  • Received:2023-10-30 Online:2024-12-01 Published:2025-01-24
  • Contact: Hai-biao WANG E-mail:yhxcumt@nefu.edu.cn;whbcumt@163.com

摘要:

将冷弯薄壁型钢与胶合木通过不同连接方式组合成新型箱形截面组合梁,以钢木连接方式和钢材卷边尺寸为变量,对4根组合梁进行了三分点弯曲试验,探究组合梁的破坏机理及力学性能。试验结果表明:组合梁整体工作性能好、变形协调,组合梁最终以纯弯段下翼缘胶合木断裂而破坏;不同连接方式下,胶粘连接的组合梁相较于螺栓连接和自攻螺钉连接的组合梁极限抗弯承载力分别提高了61.5%和23.0%;同为胶粘连接的组合梁,增大钢材卷边尺寸后其极限抗弯承载力只提升了9.0%。在试验基础上建立组合梁有限元模型进行分析,模拟结果与试验结果吻合良好;有限元模拟结果表明:钢材强度、钢材厚度以及胶合木厚度均对组合梁的抗弯承载力有一定的影响,其中胶合木厚度的影响最大。结合试验结果和模拟分析提出了冷弯薄壁型钢-胶合木组合梁跨中挠度和抗弯承载力计算公式,结果表明理论值与模拟值吻合良好,可为工程实践提供一定参考。

关键词: 结构工程, 组合结构, 钢-木组合梁, 抗弯性能

Abstract:

Cold-formed thin-walled steel and glued wood were combined into a new type of box-section beam through different connection methods. Taking the steel and wood connection methods and steel crimp size as variables, three-point bending tests were carried out on four combined beams to investigate the damage mechanism and mechanical properties of the combined beams. The test results show that the overall performance of the combined beams is good, the deformation is coordinated, and the combined beams are finally destroyed by the fracture of the glued timber at the lower flange of the pure bending section. Under the different connection modes, the ultimate bending capacity of the glued-connected combined beams were improved by 61.5% and 23.0% compared with the bolted-connected and tapping screw-connected ones, respectively, in the same way as the glued-connected combined beams, the bending capacity of the combined beams is only improved by 9.0% by enlarging the dimensions of the steel crimps. A finite element model of the combined beam was established based on the test, and the simulation results were in good agreement with the test results. The finite element simulation results showed that the steel strength, steel thickness, and thickness of glued wood all had a certain effect on the bending capacity of the combined beam, with the thickness of glued wood having the greatest effect. Combined with the test results and simulation analysis of the cold-formed thin-walled steel-glued laminated timber combination beam span deflection and flexural capacity calculation formula, the theoretical values and simulation values are in good agreement, which can provide a certain reference for engineering practice.

Key words: structural engineering, modular structures, steel-timber modular beams, bending resistance

中图分类号: 

  • TU366.3

图1

组合梁截面形式(单位:mm)"

图2

腹板处打孔示意图(单位:mm)"

图3

翼缘打孔示意图(单位:mm)"

表1

组合梁参数"

编号上下翼缘处胶合木层厚度/mm左右腹板处胶合木层厚度/mm型钢截面尺寸/mm上下翼缘处连接方式左右卷边处连接方式
GL120×50×20×2.0
ZL-14020120×50×20×2.0螺栓连接胶粘连接
ZL-24020120×50×20×2.0自攻螺钉连接胶粘连接
ZL-34020120×50×20×2.0胶粘连接胶粘连接
ZL-44020120×50×35×2.0胶粘连接胶粘连接

表2

材料力学性能参数"

材料弹性模量/MPa抗拉强度/MPa抗压强度/MPa屈服强度/MPa
胶合木9 777.8086.46
9 053.0042.29
钢板196 412.17325.53218.63
螺栓200 000.00400.00
自攻螺钉200 000.00400.00
环氧树脂胶4 000.0050.00

图4

试验加载装置(单位:mm)"

图5

应变片布置示意图"

图6

GL畸变屈曲和局部屈曲"

图7

ZL-1腹板木纤维凸起和下部翼缘断裂"

图8

ZL-2端部局部开胶和下部翼缘断裂"

图9

zl-3跨中横向裂缝和跨中横向裂缝"

图10

ZL-3整体破坏形态和ZL-4整体破坏形态"

图11

荷载-挠度曲线"

表3

试验结果"

试件

编号

正常使用挠度值/mm正常使用极限荷载/kN跨中挠度极限值/mm承载力极限荷载/kN
GL9.69.5019.3215
ZL-19.618.2122.3565
ZL-29.631.5821.8185
ZL-39.643.3522.95105
ZL-49.652.6524.85115

图12

跨中荷载-应变曲线"

图13

跨中截面高度-应变曲线"

图14

钢材本构关系"

图15

部件简化模型"

图16

组合梁有限元模型应力云图"

图17

荷载-跨中挠度曲线"

表4

试验值和有限元模拟值对比"

编号极限荷载/kN跨中挠度/mm连接方式
试验值/kN模拟值/kN误差/%试验值/mm模拟值/mm误差/%
ZL-285.093.29.621.823.57.8自攻螺钉
ZL-3105.0112.67.222.924.88.2胶粘

图18

试验值与模拟值荷载-应变曲线对比图"

表5

各组合梁模型参数"

编号上下翼缘处胶合木层厚度/mm左右腹板处胶合木层厚度/mm钢材厚度/mm钢材型号
ZL-340202.0Q235
ZL-3-130202.0Q235
ZL-3-250202.0Q235
ZL-3-340201.5Q235
ZL-3-440202.5Q235
ZL-3-540202.0Q345
ZL-3-640202.0Q390

图19

不同参数的组合梁荷载-跨中挠度曲线"

表6

换算截面法度计算结果"

编号Ieq(×10-6m4EI(×105N·m2
ZL-36.0511.87
ZL-3-14.839.49
ZL-3-27.5214.78
ZL-3-35.5110.82
ZL-3-46.5612.88

图20

ZL-3模拟值与理论值比较"

图21

不同β取值的荷载-跨中挠度曲线"

表7

组合梁容许挠度下的理论荷载值与模拟荷载值"

编号理论荷载值/kN模拟荷载值/kN误差/%
ZL-358.4057.970.74
ZL-3-146.6952.5112.47
ZL-3-272.7263.2513.02
ZL-3-353.2351.832.63
ZL-3-463.3765.303.05

图22

胶合木截面应力-应变分布图"

图23

钢材截面应力-应变分布图"

图24

受拉区胶合木计算示意图"

表8

组合梁模型ZL-3理论计算结果及对比分析"

模型编号kx值/mm抗弯承载力Mu/(kN·m-1误差/%
理论值模拟值
ZL-30.7061.3449.5245.687.75
0.6558.7947.493.82
0.6056.1345.390.63
0.5553.4443.225.69
0.5050.7540.9911.45

表9

不同k值下截面抗弯承载力误差分析结果"

k理论值与模拟值对比误差/%平均误差/%
ZL-3ZL-3-1ZL-3-2ZL-3-3ZL-3-4
0.707.7520.660.8315.036.3910.13
0.653.8217.663.7311.052.707.79
0.600.6314.298.926.511.426.35
0.555.6910.4914.801.326.067.67
0.5011.456.1721.534.6511.3111.02
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