带蒙皮组合木结构的面外屈曲分析

摘 要：由于具备良好的抗震性能，木结构具有广阔的应用前景。但木结构的蒙皮效应还鲜有研究。本文首次分析蒙皮效应对木结构屈曲荷载的影响，以一带蒙皮木组合板为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS对其进行面外非线性屈曲分析，并与无蒙皮木组合板的结果进行对比。数值计算表明，带蒙皮组合板对屈曲荷载在不同的边界条件下均有提高作用。

关键词：蒙皮效应；木结构；抗震；非线性屈曲分析；屈曲荷载

中图分类号：U661.43

引言

2008年5月四川汶川8.0级大地震、2010年4月青海玉树7.1级大地震、2013年4月四川芦山7.0级大地震.....地震造成了严重的人员伤亡和物质财产损失，给人们和国家带来巨大的伤害。木结构由于自身重量轻，地震时吸收的地震力也相对较少，具有良好的抗震性能，而其力学性能，特别是屈曲性能，在抗震中是极其重要的。

蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板）利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。蒙皮结构具有较大承载力及刚度，而自重却很轻，蒙皮效应应用于抗震上将具有很大优势。而在我国，木结构的蒙皮效应一直被忽略，相应的研究还相对空白。

本文以一带蒙皮木组合板为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS对其进行面外非线性屈曲分析，并与无蒙皮木组合板的结果进行对比。此分析中，只考虑几何非线性的因素，忽略材料非线性和初始缺陷的影响。经分析，发现蒙皮效应对屈曲荷载在不同的连接方式下均有提高作用，为蒙皮效应在木结构抗震上的应用提供了一定的参考。

1.构件和有限元模型

1.1构件介绍

木结构组合板如下图1所示。结构尺寸为1.8×1.22m，由9根1.22×0.05×0.02m的横梁和3根1.8×0.04×0.025m的纵梁组成。轻质泡沫板填充于上下六根纵梁之间。上层横梁之上覆盖3mm厚的蒙皮木质板，下层横梁之下先覆盖9mm厚的石膏板，再覆盖3mm厚的蒙皮木质板。蒙皮板和纵梁、横梁之间采用铆钉连接。

1.2有限元模型

为研究蒙皮效应对木结构屈曲性能的影响，所分析的构件分为两种结构，第一种如上所述的标准木组合板，称作带蒙皮木组合板，另一种为去掉蒙皮板和石膏板之后的主体结构（只有横梁、纵梁和填充泡沫），称作无蒙皮木组合板。本文采用通用有限元分析软件ANSYS12.1对两种构件进行非线性屈曲分析。蒙皮板和纵横梁均采用三维八节点实体单元SOLID45模拟。由于泡沫板和石膏板的弹性模量远小于木材，因此忽略二者的影响。蒙皮板和纵横梁主要在纵纹方向受力，将其等效为各向同性的匀质材料，并参考文献[1]，顺纹方向的弹性模量取10000MPa，泊松比取0.03。采用矩阵单元MATRIX27模拟横梁与蒙皮板的铆钉连接，根据文献[2]，铆钉连接的竖向刚度取1000KN/m，横向刚度取200KN/m。有限元模型如下图2所示。

屈曲分析类型为面外非线性屈曲分析，约束和荷载都施加在构件厚度方向的纵侧面，有刚接和铰接两种边界条件，特征值屈曲分析时，施加1KN的荷载，非线性屈曲分析时，施加相应的一阶特征值屈曲荷载。即如下图1所示，铰接约束时，上下端面均铰接，而荷载施加于其中一端面；刚接约束时，荷载和约束各施加于其中一端面。

2.数值结果与讨论

运用有限元分析软件ANSYS分别对两种边界条件下的两种构件进行面外特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，得到对应的特征值屈曲荷载和非线性屈曲荷载，如下表1所示。非线性屈曲分析中的力-位移曲线如下图3所示。

由ANSYS分析所得的结果可知，蒙皮效应对木结构的屈曲性能有一定的贡献。其中，对于刚接木组合板结构，蒙皮效应能提高木结构12.7%的特征值屈曲荷载和18.2%的非线性屈曲荷载；对于铰接木组合板结构，蒙皮效应能提高其15.5%的特征值屈曲荷载和3.7%的非线性屈曲荷载。

4.结论

本文通过有限元软件ANSYS建立了无蒙皮木组合板和带蒙皮木组合板结构实体模型，

分别在刚接和铰接边界条件下，对其屈曲性能进行对比。经分析，发现蒙皮效应能提高木结构的屈曲性能，使其具有更好的抗震性，为蒙皮效应在木结构抗震上的应用提供了一定的参考。

参考文献

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京.人民交通出版社，2007.

[2] 李雪梅.基于有限元法木材力学性能模拟及优化设计研究[D].内蒙古农业大学，2009.

[3] 陈松来、陈志勇、樊承谋、潘景龙、王焕定.木结构剪力墙中钉连接的实验研究[J].中山大学学报（自然科学版），2008.47（4）：133-138.

[4] GB 50005-003 木结构设计规范[S].

[5] 柴昶.受力蒙皮技术研究、应用及发展概况.[J].工业建筑，1994.

[6] 周绪红、结构稳定理论.北京.高等教育出版社，2010.

[7] 王卫锋、崔楠楠、颜全胜、黄仕平、朱竞翔、夏珩.木结构组合板蒙皮效应研究.哈尔滨工程大学学报.