北美黄杉和云杉-松木-冷杉平行弦木桁架承载性能比较

【目的】对比不同腹杆角度下北美黄杉和云杉-松木-冷杉(SPF)华伦式平行弦木桁架的承载性能,探究腹杆角度和结构用材对华伦式平行弦木桁架承载性能的影响规律,为平行弦木桁架结构设计提供理论依据。【方法】以承载力和稳定性为验算指标,利用Smsolver结构力学求解器对平行弦木桁架各杆件的内力变化及其变形情况进行定量分析,得到平行弦木桁架腹杆角度的上、下临界角度和最优腹杆角度;采用ABAQUS有限元软件对3种腹杆角度的北美黄杉和SPF平行弦木桁架进行有限元模型分析与验证,获得不同基材平行弦木桁架在不同腹杆角度情况下的内力变化规律,判断其可能的破坏形式和受力机理;以SPF和北美黄杉为基材分别制作3种腹杆角度的平行弦木桁架,进行抗弯承载性能静力试验,探究平行弦木桁架的极限荷载、应力分布及主要破坏形式,并与有限元模拟结果进行对比,验证平行弦木桁架有限元模型分析的准确性和适用性。【结果】1)华伦式平行弦木桁架的最优腹杆角度为47°,下临界角度为34°,上临界角度为60°;2)北美黄杉平行弦木桁架的极限荷载范围为26.53~40.83 kN,跨中挠度范围为30.57~31.01 mm,SPF平行弦木桁架的极限荷载范围为23.48~34.16 kN,跨中挠度范围为31.85~32.05 mm;3)腹杆角度34°、47°、60°的北美黄杉和SPF平行弦木桁架极限荷载分别为26.53和23.48 kN、35.10和30.06 kN、40.83和34.16 kN,对应跨中挠度分别为31.85和31.01 mm、30.72和32.05 mm、30.57和31.97 mm;4)北美黄杉平行弦木桁架的破坏形式主要表现为靠近桁架支座处的腹杆出现裂纹以及桁架端部或荷载施加点处齿板拔出,SPF平行弦木桁架的破坏形式主要表现为桁架端部和荷载施加点处齿板拔出;5)ABAQUS有限元模拟和试验验证发现,2种平行弦木桁架跨中处弦杆轴力最大,往两边逐次递减,桁架跨中处腹杆轴力最小,往两边逐次递增,且弦杆轴力大于腹杆。【结论】北美黄杉平行弦木桁架承载性能优于SPF平行弦木桁架;平行弦木桁架的承载性能随腹杆角度增加而增加;2种平行弦木桁架的薄弱点均为桁架端部和荷载施加点处的齿板连接节点;ABAQUS有限元模型能有效反映出平行弦木桁架受力分布和整体结构变形趋势。

速生杉木平行弦木桁架承载能力分析

平行弦木桁架是目前木结构建筑楼盖搁栅的主要形式。对速生杉木平行弦木桁架进行静力加载试验,得到平行弦木桁架荷载-变形关系和破坏形式,试验结果表明平行弦木桁架具有较好的强度储备,节点处齿板从木材中拔出,是木桁架结构过早发生破坏的主要原因。

杆件摆放方式对平行弦木桁架承载力的影响

通过对两种摆放方式(规格材立置和平置)的平行弦木桁架进行静载试验,测试其上下弦各节点挠度,分析杆件摆放方式对木桁架刚度、承载能力和破坏模式等力学性能的影响。结果表明,规格材杆件立置的平行弦木桁架具有较高的刚度和极限承载力,破坏以杆件劈裂为主;而杆件平置的木桁架破坏主要发生在齿板连接的节点处。木桁架弦杆接长对其承载能力影响显著,此处安全性能要求更高,必要时应对对接节点处进行加强处理。

国内外平行弦木桁架发展现状分析

对国内外平行弦木桁架在结构材、节点及连接方式、承载力性能、理论计算与技术规范等方面的发展现状进行了分析,并就我国平行弦木桁架的发展提出相关建议。

斜螺钉连接的平行弦木桁架节点抗拔性能

【目的】制作一种节点采用自攻螺钉连接的平行弦木桁架,以不同角度钉入螺钉,探究螺钉钉入角度对平行弦木桁架受拉节点力学性能的影响,为新型桁架在实际工程中的应用提供基础数据,并完善木结构建筑设计标准。【方法】采用进口SPF规格材和自攻螺钉制作桁架受拉节点试件,改变螺钉钉入方向与桁架腹杆顺纹方向的夹角,参考美国标准ASTM D1761-12,对夹角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7组试件以2.54 mm·min-1的速率单调匀速进行抗拔试验,记录分析受拉节点的破坏形态并对比各组试件的荷载-位移曲线、极限承载力、屈服荷载和刚度。【结果】试件最终破坏形态主要有钉帽拉穿和螺钉拔出2种:夹角为0°和15°时,试件破坏主要是因为木材横纹抗压强度小于螺钉抗拔强度,钉帽最终剪断并拉穿弦杆;夹角为30°~90°时,试件失效主要是因为销槽承压形成的剪力达到螺钉屈服荷载;夹角为0°和15°时试件荷载-位移曲线在最大荷载附近保持较好,夹角为30°~60°时试件荷载-位移曲线下降缓慢,夹角为75°和90°时试件荷载-位移曲线存在明显屈服阶段;节点承载能力随角度变化受木材横纹局部抗压强度和螺钉抗弯强度的影响,夹角为60°时试件的平均承载力最大,达7.423 kN;夹角为0°时试件的屈服荷载最大,达4.859 kN;节点刚度随角度增大而减小。【结论】自攻螺钉倾斜角度在45°~60°范围内试件综合受力性能最好,倾斜角度为0°的试件适用于建筑中对刚度要求较高的部位。

腹杆角度对平行弦木桁架受力性能的影响

为研究腹杆角度对平行弦木桁架承载性能的影响,对跨度为2000 mm、杆件截面尺寸200 mm×89 mm的平行弦木桁架进行了Smsolve结构力学求解器理论模型分析与有限元模拟。在此基础上,对平行弦木桁架进行了静力加载试验,分析了平行弦木桁架在不同腹杆角度下的极限荷载、受力分布规律和主要破坏形式,验证了平行弦木桁架模型分析的正确性,评价了Smsolve结构力学求解器理论模型与有限元模拟分析平行弦木桁架承载性能的适用性。研究结果表明:平行弦木桁架极限荷载为设计荷载4~7倍,破坏位置为两侧端点和荷载加载点,破坏形式为节点齿板拔出而导致桁架失效,腹杆角度47°的桁架在满足承载力及稳定性要求。Smsolve结构力学求解器理论模型与有限元模型均适用于平行弦木桁架承载性能的分析。