混凝土-木節(jié)點力學(xué)性能有限元分析

20世紀(jì)的兩次世界大戰(zhàn)之后，世界范圍內(nèi)鋼材緊缺。為了代替鋼材在建筑結(jié)構(gòu)中的作用，混凝土-木組合結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生。這種組合結(jié)構(gòu)可以用于新建結(jié)構(gòu)或既有木建筑的維修和改造。截至1997年，超過10000m²的木結(jié)構(gòu)樓板使用這種技術(shù)進(jìn)行了加固。同時在波蘭、新西蘭以及澳大利亞境內(nèi)也有超過3000m²的木結(jié)構(gòu)房屋及橋梁使用了混凝土-木組合結(jié)構(gòu)體系加固方法。期間包括意大利在內(nèi)的許多歐洲國家都認(rèn)可并使用這種技術(shù)對舊木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了改造。當(dāng)時使用這種技術(shù)加固既有結(jié)構(gòu)可以節(jié)約新建結(jié)構(gòu)一半的費用。
除此之外，許多穿越森林的路橋多用原木結(jié)構(gòu)直接修建。而原木結(jié)構(gòu)的極限承載能力和延性限制了其結(jié)構(gòu)方面地應(yīng)用。使用混凝土板與木材的組合結(jié)構(gòu)可以有效改善這種情況。組合結(jié)構(gòu)除了擁有更高的強(qiáng)度和剛度，也可以防止潮濕的水汽腐蝕木材。在瑞士，13m跨度的原木混凝土組合橋梁就是成功的范例。近年來，在芬蘭等國家，混凝土-木組合結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)有效改善了單一結(jié)構(gòu)的缺陷，使使用性能和經(jīng)濟(jì)效益完美結(jié)合。
類似于一般組合結(jié)構(gòu)，混凝土-木組合結(jié)構(gòu)的目的在于將兩種材料的力學(xué)特征優(yōu)勢結(jié)合，共同發(fā)揮作用。因此其節(jié)點錨固性能的優(yōu)劣決定了組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。杭州那泰有限元分析公司將對國內(nèi)外對混凝土-木組合結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究進(jìn)行總結(jié)，并對3種典型節(jié)點形式的力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析，得到混凝土-木組合結(jié)構(gòu)節(jié)點形式對力學(xué)性能的影響規(guī)律。
在早期的混凝土-木組合結(jié)構(gòu)中，用以連接兩種材料的節(jié)點大多為木結(jié)構(gòu)中常用的形式。文獻(xiàn)顯示，最早的組合結(jié)構(gòu)節(jié)點采用的就是用以連接木結(jié)構(gòu)的鋼釘或鐵路道釘。類似的連接構(gòu)件還有很多被移植到混凝土-木組合結(jié)構(gòu)中。在這些連接構(gòu)件中，鋼釘是最常用的。因此鋼釘作為混凝土-木組合結(jié)構(gòu)連接件的力學(xué)性能得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。節(jié)點根據(jù)錨固原理的不同可以分為機(jī)械式及黏接式兩種。而機(jī)械式錨固又可根據(jù)錨固形式的不同分為插入式、嵌入式以及混合式3種。
插入式節(jié)點主要由插入木材和混凝土的鋼釘進(jìn)行連接錨固。1989 年，Stevanovic提出了鋼釘在組合結(jié)構(gòu)中連接性能的試驗研究方法。1993年，Ahmadi 和Saka對不同類型的鋼釘進(jìn)行了剪切和彎曲試驗。試驗的目的是選擇出最適合用于連接混凝土-木組合樓板的鋼釘。1996年，Gutkowski和Tser-Ming同樣對組合結(jié)構(gòu)中的鋼釘進(jìn)行了剪切和彎曲試驗，試驗參數(shù)包括鋼釘直徑和貫入長度。根據(jù)試驗結(jié)果得出了這些參數(shù)對連接過程中力學(xué)性能的影響。同時其他形式的連接構(gòu)件也被大量采用，例如定位銷栓、螺栓或鉚釘?shù)取５@些連接方式都有共同的缺點，即需要預(yù)先鉆孔。
插入式節(jié)點在受力中都會容許混凝土和木材間發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致組合效果的降低。在簡單的銷栓類連接構(gòu)件中，這種劣勢更加明顯，因此學(xué)者們考慮使用環(huán)氧樹脂和銷栓進(jìn)行組合。首先在木材上鉆直徑略大于銷栓直徑的孔，孔中灌入部分環(huán)氧樹脂，再將銷栓插入。這種連接節(jié)點的優(yōu)勢在于銷栓周圍材料的強(qiáng)度和剛度都被有效提高，同時環(huán)氧樹脂可以填補一些天然缺陷，更有利于節(jié)點處的連接錨固。

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