竹木复合材棱柱体试件受压性能有限元研究

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1、竹木复合材棱柱体试件受压性能有限元研究　　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

2、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，弹性模量，抗压强度，有限元分析中图分类号：TU366.3文献标识码：A1.引言8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

3、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AndyW.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

4、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、木材料分三批次建立棱柱体试件模型，本文设计的试件尺寸为100mm×100mm×300mm。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。82.2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

5、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1SPF1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间隔布置二6SPF1级

6、+楠竹7间隔布置87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

7、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8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8370.5523.62杨木11418

8、.9930.38东北落叶松11781.5831.61桉木9828.3727.34楠竹24196.4762.56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spf