混凝土-木节点力学性能有限元分析

［摘要］ 混凝土⁃木组合结构广泛应用于结构新建及旧结构加固改造等领域。 组合结构的力学性能取决于混凝土 和木材的连接状况，因此对于节点的研究非常必要。 在国内外混凝土⁃木组合结构节点研究的基础之上，使用Lusas 有限元软件对 3 种形式的连接节点进行了模拟分析，得到结论如下：节点的锚固性能主要取决于锚栓的截面形式。 相对圆柱形截面，矩形截面锚栓可以得到更大的锚固刚度及极限承载力；在节点两端增加柱帽可以提高锚固的极 限承载力，但对于锚固刚度的提高作用有限；增加柱帽的锚栓在混凝土和木材相对变形较大时会导致木材在复杂 应力状态下的破坏，延性较差。

20世纪的两次世界大战之后，世界范围内钢材 紧缺。 为了代替钢材在建筑结构中的作用，混凝土⁃ 木组合结构逐渐产生［１］ 。 这种组合结构可以用于 新建结构或既有木建筑的维修和改造。 截至 1997 年，超过 10000㎡的木结构楼板使用这种技术进行 了加固。 同时在波兰、新西兰以及澳大利亚境内也 有超过 3000㎡的木结构房屋及桥梁使用了混凝土⁃ 木组合结构体系加固方法。 期间包括意大利在内 的许多欧洲国家都认可并使用这种技术对旧木结 构房屋进行了改造。 当时使用这种技术加固既有 结构可以节约新建结构一半的费用。

除此之外，许多穿越森林的路桥多用原木结构 直接修建。 而原木结构的极限承载能力和延性限 制了其结构方面地应用。 使用混凝土板与木材的 组合结构可以有效改善这种情况。 组合结构除了 拥有更高的强度和刚度，也可以防止潮湿的水汽腐 蚀木材。 在瑞士，13m 跨度的原木混凝土组合桥梁 就是成功的范例。 近年来，在芬兰等国家，混凝土⁃ 木组合结构被越来越多地应用于桥梁结构，这种技 术有效改善了单一结构的缺陷，使使用性能和经济 效益完美结合。 类似于一般组合结构，混凝土⁃木组合结构的目 的在于将两种材料的力学特征优势结合，共同发挥 作用。 因此其节点锚固性能的优劣决定了组合结 构的力学性能，也是国内外学者研究的重点。 本文 将对国内外对混凝土⁃木组合结构节点的研究进行总结，并对 ３ 种典型节点形式的力学性能进行有限 元模拟分析，得到混凝土⁃木组合结构节点形式对力 学性能的影响规律。 １ 混凝土⁃木组合结构节点连接方式 在早期的混凝土⁃木组合结构中，用以连接两种 材料的节点大多为木结构中常用的形式。 文献显 示，最早的组合结构节点采用的就是用以连接木结 构的钢钉或铁路道钉。 类似的连接构件还有很多 被移植到混凝土⁃木组合结构中。 在这些连接构件 中，钢钉是最常用的［２］ 。 因此钢钉作为混凝土⁃木组 合结构连接件的力学性能得到学者们的广泛关注。 节点根据锚固原理的不同可以分为机械式及黏接 式两种。 而机械式锚固又可根据锚固形式的不同 分为插入式、嵌入式以及混合式 ３ 种，如图 １ 所示。

插入式节点（见图 １ａ）主要由插入木材和混凝 土的钢钉进行连接锚固。 1989 年，Stevanovic 提出 了钢钉在组合结构中连接性能的试验研究方法［3］ 。1993 年，Ahmadi 和 Saka 对不同类型的钢钉进行了 剪切和弯曲试验［4］ 。 试验的目的是选择出最适合 用于连接混凝土⁃木组合楼板的钢钉1996年， Gutkowski 和Tser⁃Ming 同样对组合结构中的钢钉进 行了剪切和弯曲试验，试验参数包括钢钉直径和贯 入长度［5］ 。 根据试验结果得出了这些参数对连接 过程中力学性能的影响。 同时其他形式的连接构 件也被大量采用，例如定位销栓、螺栓或铆钉等。 但这些连接方式都有共同的缺点，即需要预先钻孔。 插入式节点在受力中都会容许混凝土和木材 间发生滑移，从而导致组合效果的降低。 在简单的 销栓类连接构件中，这种劣势更加明显，因此学者 们考虑使用环氧树脂和销栓进行组合。 首先在木 材上钻直径略大于销栓直径的孔，孔中灌入部分环 氧树脂，再将销栓插入。 这种连接节点的优势在于 销栓周围材料的强度和刚度都被有效提高，同时环 氧树脂可以填补一些天然缺陷，更有利于节点处的 连接锚固［6］ 。

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