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 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
2、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
3、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 1.81.22m，由 9 根1.220.050.02m 的横梁和 3 根 1.80.040.025m 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
4、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 ANSYS12.1 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 10000MPa，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 20
5、0KN/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 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
6、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. 4 GB 50005-003 木结构设计规范S. 5 柴昶.受力蒙皮技术研究、应用及发展概况.J.工业建筑，1994. 6 周绪红、结构稳定理论.北京.高等教育出版社，2010. 7 王卫锋、崔楠楠、颜全胜、黄仕平、朱竞翔、夏珩.木结构组合板蒙皮效应研究.哈尔滨工程大学学报.
