可装配式木结构.docx

新型可装配式木结构的研究及应用摘要：随着我国综合国力日益增强、经济健康发展,特别是人们收入水平提高以及绿色健康住宅概念的流行，但目前采用的钢筋混凝土性能具有较大的局限性，属于不可再生资源，不利于环境的发展，而可装配式木结构由于其优越的性能和再生性而被人们所青睐，他具有装配简单、抗震性能好、质轻的特点，性价比也比较高。 论文对可装配式木结构房屋利用结构分析软件 SAP2000 进行模态振型工况、不同荷载组合下内力及变形工况、抗震性能工况以及施工阶段数值模拟工况等结构分析。建模时，参考国内外学者的经验，对轻型木结构材料、构件单元以及连接点的属性进行定义，并说明模型存在的问题，并提出完善模拟需要的进一步研究。 关键词：钢筋混凝土的局限性、可装配式木结构、SAP2000有限元分析、木结构的发展及应用引言：随着技术的发展，计算机技术在生产生活中占据着越来越大的比例，计算机数值模拟技术在科研中占据着越来越重要的地位，目前建筑行业结构分析主要存在着FEM（有限元分析）理论1,2、BEM（边界元分析）理论3、 FDM（有限差分分析）理论4,5，这些理论的应用趋势主要为有限元分析理论，主要为三个阶段：建模阶段、单元化以及单元分析、评价和概述。SAP2000软件集结构分析和设计软件功能于一体，在开始时有多种自动模板供用户选择，在独特的形势下建模分析，参数输入和模型建立的形式易于理解和接受6,7, 因而本实验采用SAP2000对相同结构下的钢结构和木结构建模运算分析，比较其抗震性能，实验证明，可装配式木结构具有优秀的抗震性能，与此同时也具有相对环保节能的效用，因而木结构在未来的建筑中将会占有很大市场。一、 钢结构的建模分析81. 建模前参数准备：本实验采用钢架结构为Q345的钢材，柱为500*500的箱型钢，梁为400*200的箱型梁。2. 实验加载本实验建立了以6*6m为底，以3m为一楼的两楼小洋房模型，如下图所示(a)所示，用上述实验参数用作实验建模基础，本实验采用有限元分析，对模型采取施加静力荷载(图b)，施加地震波(图c)，模拟其在荷载和地震波的作用下的工作状态和破坏机理，然后进行数据统计。 图a 图b 图c3. 实验数据本实验分别对木结构进行了地震波加载和静荷载加载，本实验对梁的静荷载为1800KN，在静荷载为1800KN时，木结构作为一种弹性材料，表现出一定的弯曲状态，本实验采用地震波的频率为0.02s的时程函数，最大峰值处加速度为748.89。地震波的形态及参数如下图所示4. 实验结果分析（地震波处于最大峰值时）2-2方向弯矩图和弯矩数值图 2-2 方向弯矩包络图和弯矩值包络图3-3 方向弯矩图和弯矩数值图3-3方向弯矩包络图和弯矩值包络图二、 可装配式木结构的建模91. 建模前参数准备： 本实验的原材料为可装配式木结构，柱的截面为500*500，梁的界面为400*200，木材的横纹弹性模量为0.03GPa，顺纹弹性模量 10GPa，顺纹剪切模量为0.5GPa，横纹剪切模量为0.45GPa，木材密度为400/，重度为3920N/m，泊松比为0.3。2. 建模：本实验建立了以6*6m为底，以3m为一楼的两楼小洋房模型，如下图所示(d)所示，用上述实验参数用作实验建模基础，本实验采用有限元分析，对模型采取施加静力荷载(图e)，施加地震波(图f)，模拟其在荷载和地震波的作用下的工作状态和破坏机理，然后进行数据统计。 图(d） 图(e) 图(f)3. 实验数据:本实验分别对木结构进行了地震波加载和静荷载加载，本实验对梁的静荷载为1800KN，在静荷载为1800KN时，木结构作为一种弹性材料，表现出一定的弯曲状态，本实验采用地震波的频率为0.02s的时程函数，最大峰值处加速度为748.89。 地震波形图4. 实验结果分析（处于最大地震波时）2-2方向的弯矩图2-2方向弯矩包络图和弯矩数值包络图3-3方向当的弯矩图3-3方向的弯矩包络图和弯矩包络数值图部分节点受力表格，共划分156个节点，所以只选出部分三、 木结构和钢结构的对比从以上实验记录，我们可以看到木结构的变形虽然比钢材要大，但是它所受到的弯矩远小于钢材所受弯矩，同时因为木材的密度，木结构建筑整体自重较钢筋混凝土轻，大约为其1/51/2，也就是说在受到相同的作用效应时，同等轻型木结构房屋产生的地震作用效应相对较小。同时本模拟实验在建模分析时，为了保守起见木质材料的阻尼比见取值为0.05，是常见的四类普通建筑结构材料中最大，所以其在受到相同地震作用时，耗散的地震能量也最大，受到的破坏也较小，居住安全性能也最高，且环保。输入Taft波（7.6级），不同变形受力表明，轻型木结构建筑的杆件承载力和变形数值均在规范允许的范围内，而且安全存储较大。对于屋面和墙面等，为了简单实效的建立构件模型，常忽视装饰材料层以及装饰层的刚度加强作用，但即使是这样，在上两节的模型结构分析中得到的结果均在规范允许的范围内。同时构件的安全存储较大，也验证了轻木结构建筑抗震性能的优异性。四、 实验的不足一是材质问题。因为对于木材来说，其在物理以及力学性质方面都表现为相当显著的各项异性，顺纹和横纹的受压、受拉、受剪和静力弯曲强度相差较大，并且自身强度还与取材位置有一定关系。木质材料的属性也对强度有影响，主要是密度和含水率。另外外界环境因素对木材强度和物理性质影响也很大，其一是温度，温度越高，木材的强度会随之降低，其降低程度与木材的含水率、延续作用时间以及温度值都有关联；其二是时间，在荷载的长期作用下，木材的强度会降低，就像混凝土构件在长期荷载下发生徐变一样。二是有软件单元的模拟问题。现有的各大型通用有限元分析软件及专用分析程序都很难模拟木材料的受力属性，即使是单独定义材料，其非线性性质以及温度、长期作用对材料的影响的程度也是很难定义。多是在其他成熟材质属性上修改，使之属性逼近木单元。三是木质材料能使其结构建筑在整体受力变形时表现为较柔性，连接处也如同钢结构的半刚性连接，但刚度相对来说小些。因此构件在进行内力计算时，两端的连接形式应视情况而定，不能简单按照两端铰接或两端刚接或一端铰接一端刚接计算。这对软件模型建立的准确性以及符合性有较高的要求。五、 结论：我国正处在一个重大的转型时期，要想大力推动节能减排，就必须在工民建方面下功夫，传统的房屋建设耗费了太多的不可再生能源，可装配式木结构具有高效，环保，清洁，耐久，抗震，可再生等优点，应当大力发展，同时国家也应该出台相应政策鼓励用装配式木结构，加大科研力度，提升木材性价比以及大众接受度，走出一条具有中国特色的木结构发展道路，促进生态文明建设。参考文献：1 吕大刚，杨大伟.有限元可靠度方法的基本原理及研究进展R.中国力学学术大会，20052 张洪武， 吴敬凯， 刘辉， 付振东. 扩展的多尺度有限元法基本原理J.计算机辅助工程，2010.19(2).3 朱剑月, 耿传智. PC简支梁铁路桥墩身动力响应的特解边界元分析J.中国铁道科学.2004.4. 25(2).31-344 J.Jones, C.Wu. D.J.Oehlers, A.S.Whittaker, W.Sun, S.Marks and R.Coppola. Finite Difference Analysis of Simply Supported RC Slabs for Blast Loadings. 5 谢强,何兆益,梁莉. 水泥混凝土路面板角脱空的有限差分分析J.重庆大学学报。2008.07. 31（7）725-729.6 张建华，郝殿伟，黄珂，徐欣，刘新生。基于SAP2000的钢板筒仓参数化建模与分析R.建筑科学与工程学报. 2013.9