1、竹木复合材棱柱体试件受压性能有限元分析摘要：为了更好的选取竹木复合材料，选取 spf1（Spruce-Pine-Fir） 、东北落叶松、江苏速生意杨、桉木、楠竹，通过考虑材料种类、层板厚度和组坯方式等因素，对 3组共 13个棱柱体试件建立模型，以有限元软件 abaqus为研究手段，对各试件的弹性模量和抗压强度进行理论分析。结果表明：东北落叶松的抗压性能优于其它树种，其与楠竹组坯的试件变形基本协调；试件的受压性能随着层板厚度的减小而增大，但增大的幅值不显著；相比于其他的组坯方式，竹材木材间隔布置抗压性能更好。以上的分析成果为现代木结构在竹木复合材领域的研究提供了理论参考。 关键词：棱柱体试件，弹
2、性模量，抗压强度，有限元分析 中图分类号：TU366.3 文献标识码：A 1.引言 竹、木结构房屋由于具有绿色、节能、保温、安全等优点，渐渐的受到了人们的青睐，我国属于木材资源相对匮乏的国家，现在国内大部分现代木结构建筑仍然依靠进口木材。而我国拥有丰富的竹资源1。将木材和竹材以相同或不同的结构单元形式进行组合及胶接而成复合材，既解决了我国木材资源的匮乏，又充分利用了我国丰富的竹资源，竹木复合材受力合理，具有较小的变异性和较高的可靠度，因此以竹木复合材为建筑材料的现代木结构符合可持续发展，具有广阔的前景。 从材性角度研究竹木复合材，是研究构件受力性能的基础。南京林业大学的张齐生院士为首的科研人员
3、成功开放了竹木复合装箱底板2，日本京都大学对竹木复合材的受弯性能进行了探讨3，美国 Clemson大学 Andy W.C.Lee等人借助分析软件对毛竹增强南方松的性能进行了研究4。上述研究为本文的竹木复合材料分析奠定了基础，然而上述研究均是反应纯弯状态，因此从材性角度对有针对性的竹木复合材进行深入研究是必要的。 本文选取了 spf1、东北落叶松、江苏速生意杨、桉木和楠竹等材料，从材性角度出发，通过有限元分析软件 abaqus建立棱柱体胶合竹木试件，研究不同树种、不同层板厚度以及不同组坯方式对竹木复合材受压性能影响。 2.有限元模型的建立 2.1 模型设计 分析中采用 5种不同的竹、木材料分三批
4、次建立棱柱体试件模型，本文设计的试件尺寸为 100mm100mm300mm。棱柱体试件采用实体单元（solid）模拟，不考虑各向异性。模型说明表详见表 1。 2.2 试件分组 第一批试件：试件由 7层胶合木板或竹板粘接而成，具体尺寸见图1。进行顺纹抗压有限元分析，评价不同品种的胶合木和胶合竹的抗压性能和弹性模量。第二批试件：探讨木材和竹材组合在一起的胶合竹木的抗压性能、弹性模量。截面尺寸见图 1。 第三批试件：根据一二批的分析结果选择理论上材性较好的东北落叶松和楠竹，建立有限元模型，研究层板厚度和组坯方式对胶合竹木抗压性能的影响。截面尺寸见图 2。 （a）同种材料组坯 （b）不同材料组坯 图
5、1.第一、二批棱柱体试件平面图 (a) 不同层板厚度 （b）不同组坯方式 图 2.第三批棱柱体试件平面图 表 1.模型说明表 批次 编号 材料 层数 组坯方式 1 SPF1 级 7 间隔布置 2 杨木 7 间隔布置 一 3 东北落叶松 7 间隔布置 4 桉木 7 间隔布置 5 楠竹 7 间隔布置 二 6 SPF1 级+楠竹 7 间隔布置 7 杨木+楠竹 7 间隔布置 8 东北落叶松+楠竹 7 间隔布置 9 桉木+楠竹 7 间隔布置 三 10 东北落叶松+楠竹 5 间隔布置 11 东北落叶松+楠竹 9 间隔布置 12 东北落叶松+楠竹 7 竹材置于两边 13 东北落叶松+楠竹 7 竹材置于一边
6、3.有限元计算结果 3.1 同种材料组坯试件抗压性能的比较 通过对第一批次 5个试件分别建立模型，采用力加载（step1）和位移加载（step2） ，弹性阶段试件施加的作用力的加载机制为 10kN至 50kN至 10kN，加载一个循环；然后进行位移加载，目标位移量是 10mm。得到如图 3-4及表 2所示的结论。 从表 2可知，桉木的弹性模量和抗压强度较 spf1 级分别提高了17.4%和 15.7%，杨木的较桉木分别提高了 16.2%和 11.1%，东北落叶松的较杨木分别提高了 3%和 4%，楠竹的较东北落叶松分别提高了 105%和97.9%。 图 3.楠竹棱柱体试件应力图 3.2 竹木组坯
7、试件抗压性能的比较 通过对第二批 4个试件分别建立模型，模型由竹木两种材料间隔布置，根据层板厚度建立 7个 图 4.同种材料组坯试件力-位移关系曲线 表 2.不同材料胶合竹木试件弹性模量和抗压强度 批次 材料 弹性模量/Mpa 强度 /Mpa 一 SPF1 级 8370.55 23.62 杨木 11418.99 30.38 东北落叶松 11781.58 31.61 桉木 9828.37 27.34 楠竹 24196.47 62.56 图 5.东北落叶松-楠竹试件的应力图 部件（part)，采用捆绑约束（Tie)将各个部件组装成棱柱体模型。得到如图 5-6及表 3所示的数据。 由图 6及表 3可
8、知，与层板胶合木相比，竹木复合材性能得到了很大的提高，spf1 级+楠竹试件的弹性模量和抗压强度较 spf1级分别提高了 73.2%和 64.2%，杨木+楠竹试件的较杨木分别提高了 33.3%和 68.3%，东北落叶松+楠竹试件的较东北落叶松分别提高了 38.6%和 66.5%，桉木+楠竹试件的分别提高了 52.4%和 56.2%。 3.3 层板厚度和组坯方式对试件抗压性能的影响 根据前面的分析可知东北落叶松与楠竹两种材料组坯成的层板胶合竹木试件抗压性能相对更优，为此继续分析两种材料的层板厚度及组坯方式对试件抗压性能的影响，通过建立如表 1所示编号为 10-13共 4个模型，分析结果见图 7、
9、8 及表 4。 图 64个试件力-位移关系曲线 表 3.竹木组坯试件弹性模量和抗压强度 批次 组名 材料 弹性模量/Mpa 强度 /Mpa 二 spfnz SPF1 级+楠竹 14497.08 38.78 ymnz 杨木+楠竹 15218.81 51.12 lysnz 东北落叶松+楠竹 16335.55 52.64 amnz 桉木+楠竹 14978.56 42.70 表 4.第三批试件（东北落叶松+楠竹）弹性模量和抗压强度 批次 组名 布置方式 弹性模量/Mpa 强度 /Mpa 三 Lysnz5 5 层板 15261.04 49.52 Lysnz7 7 层板 16335.55 52.64 Ly
10、snz9 9 层板 18002.86 54.17 Lysnz-j 间隔布置 16335.55 52.64 Lysnz-l 竹材置于两侧 16135.81 50.79 Lysnz-y 竹材置于一侧 15893.63 48.28 从表 4可知，9 层板试件的弹性模量和抗压强度较 7层板分别提高了 10.2%和 2.9%，另外相对于其他的组坯方式，竹材木材间隔布置的试件具有更高的承载力。 4.结论 1）东北落叶松相对于其他树种具有更好的承载力，也缩小了与楠竹各项性能的差距，因此理论建议选择东北落叶松和楠竹制作层板胶合竹木是可 行性。 图 75层板胶合竹木试件应力图 图 8.不同层板厚度及组坯方式的竹
11、木试件力-位移关系曲线 2）胶合竹木试件分层越多，其承载力提高的幅值不显著，所以建议选择 7层进行组坯，即降低了制作工艺的复杂性，也减少了胶合面发生破坏的机率。 3）间隔布置优于其他组坯方式，在试件受压过程中通过高强胶的捆绑作用，使两种材料变形基本协调，同时在木材先达到承载能力的前提下，竹材还具有足够的承载力，提高了现代木结构的安全储备。 参考文献: 1雷加富.中国竹资源和竹产业的可持续发展战略.北京：中国林业出版社，2001,1-20 2单炜，李玉顺.竹材在建筑结构中的应用前景分析.森林工程，2008,24（2),62-62 3 Wu W Y.Bamboo scaffolding in Hongkong.The Structural Engineer，1993,(6):45-56 4杜春雨, 喻从浩. 绿色空间建筑_现代西方木结构建筑解读J. New Architecture. 2005, (5):17-21
