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1、大跨度胶合木张弦梁截面工程优化试验研究第 1 章 绪论1.1 引言2015 年 11 月 4 日，中国住建部携手加拿大联邦政府自然资源部等成立中国现代木结构建筑技术项目联合工作小组;。中加双方就推广新型集合式多层纯木结构以及混合木结构住宅建筑达成共识，联合小组还表示将在中国设立木结构试点城市，研发可行有效的木结构建筑体系1。2016 年国家发展改革委、住房城乡建设部会同有关部门共同制定了城市适应气候变化行动方案，方案中明确指出，积极发展被动式超低能耗绿色建筑，推广发展现代木结构2。2016 年 2 月 23 日，中共中央国务院印发关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见，意见指出着力转变城
2、市发展方式，着力塑造城市特色风貌，着力提升城市环境质量，倡导发展现代木结构3。2017 年 1 月 23 日，国家住建部与吉林省政府商定在吉林省共建全国木结构建筑产业发展试点省，重点发展木结构建筑，开展木结构建筑技术创新，完善标准体系，为全国木结构建筑发展提供可借鉴、可复制、可推广的经验4。发展木结构建筑，积极采用木结构对城市进行综合改造，实属积极响应国家号召，顺应建筑业的发展潮流，有利于降低能源消耗，减少二氧化碳排放，并且木结构建筑的节能效果较好，有助于实现中国建筑节能目标，降低经济发展对环境、气候的影响，创造美好居住环境5。对木结构进行相关试验研究，可为木结构的发展提供帮助，为我国木结构技
3、术的发展和创新，提供相关理论支撑6，有利于完善木结构建筑标准体系，以及木结构建筑规范的更新和完善。.1.2 研究背景与意义木材作为中国最传统的建筑材料，有很多优点。木材是一种纯天然绿色材料。其生产加工过程中成本低、耗能小、无毒害、无污染等。并且，木材是一种可再生材料，只要合理开发合理种植，可达到木材循环供应，而且在其再生过程中，能够对空气起到净化作用，是不断美化环境的过程，符合了国家关于建筑节能，绿色环保的可持续发展战略。其次，木材本身作为一种极佳的保温材料，对于建筑住宅的保温性能可以大大提升，特别是将木材作为墙板承重构件应用到结构体系中去，可以实现墙体保温一体化7。胶合木(Glued Lam
4、inated Timber 简称 Glulam)是以厚度为 2040mm 的板材，沿顺纹方向叠层胶合而成的木制品。也称层板胶合木，或称结构用集成材8。伴随着现代木结构的复兴，新兴胶合木材料凭借其自身的各种优越特质，在现代木结构复兴潮流中发展迅速。与传统木材相比，胶合木的优越主要体现在以下几个方面：第一，胶合木材料可通过对层板的筛选从而达到对胶合木质量的控制，根据层板质量的选择从而确定胶合木的质量等级，还可以对层板间的木节等缺陷进行分散错开，降低了原木中木节等质量缺陷对工程带来的影响。第二，胶合木还可以根据构件使用的位置不同，进行层板的优化，即构件应力较小部位采用层板强度较低的木材，应力较大部位
5、采用强度较高木材，实现木材的分等级合理利用，降低了成本，避免浪费。第三，胶合木材料可根据实际工程需要从而连接成工程所需形状，为现代木结构建筑的大跨度，多造型打下基础，同时还带来了独特的木质纹路美感。随着现代木结构的不断发展，大跨木结构建筑需求增多，除了常见的拱、桁架等大跨结构体系外，很多应用场合都对大跨木梁有很大需求9。然而木材自身强度较低，在大跨度木结构的应用中，往往需要较大截面，造成木材用量较大，造价较高。.第 2 章 结构的 SAP2000 有限元分析2.1 概述本章采用有限元软件 SAP2000 对张弦梁进行非线性分析。详细地介绍了模型建立的过程以及荷载工况的定义，通过软件分析，得到的
6、张弦梁的荷载位移对应关系，应力应变曲线等内容。为试验的测点布置以及确定加载方案提供理论帮助。.2.2 有限元模型2.2.1 建立模型该游泳馆整体为拱形屋面，结构高度为 12.701 米，跨度方向共 30 米，胶合木屋梁为单跨简支梁，结构形式采用大跨度胶合木张弦梁结构，梁间间距为 6.38 米，梁上均布檩条结构，如下图 2-1 中所示。本文选取一榀张弦梁进行研究。张弦梁整体分为 3 部分：上弦为胶合木主梁，撑杆为方钢管，下弦为柔性 PE 拉索。其中胶合木主梁根据弧度可分为 3 段：斜直线段、正弧度曲梁段、反弧度曲梁段。建模时严格按照每一段坐标以及曲率半径进行缩尺模型的建模，确保缩尺后张弦梁的结构
7、形式不发生改变，模型效果图见下图 2-2：荷载取值：（1）恒载 D：恒载取值为 1.0 kN/m2（2）活载 L：按照不上人屋面形式计算，取值为 0.5 kN/m2（3）雪载 S：该建筑位于长春市，按照建筑结构荷载规范33（GB5009-2012）,取 50 年一遇基本雪压为 0.45 kN/ m2，计算中取值 0.5 kN/ m2。计算时考虑雪荷载不利布置，同时考虑屋面积雪系数。在模型建立过程中，直接绘制很难保证梁上两段曲率半径的准确性且操作麻烦，所以采用 CAD 绘制转存为 DXF 格式后，导入到 SAP2000 中进行分析。为准确地在 SAP2000 系统中定义各节点条件以及边界条件，需
8、在 CAD 图形中分图层绘制各部件。并分图层依次导入到 SAP2000 系统中。在拉索结构的导入中，系统会默认将所有线条定义为框架系统，模型导入后需采用索结构对导入模型进行修整与更换（有效的索结构系统中以蓝色呈现）。见下图 2-3。.第 3 章 试验模型的设计与制作. 203.1 概述 .203.2 试验材料的选取 .203.3 试验梁模型的设计 .213.4 各部件的制作 .263.5 问题总结 .283.6 本章小结 .28第 4 章 静力加载试验及数据分析.294.1 概述 .294.2 量测内容及加载方案 .294.3 试验过程 .324.4 试验现象 .354.4.1 第 1 次加载
9、试验 .354.4.2 第 2 次加载试验 .374.5 数据分析 .394.6 本章小结 . 43第 5 章 优化试验研究及数据分析. 445.1 概述 . 445.2 试验构件的优化 . 445.3 试验的准备工作 . 465.4 试验加载制度 . 485.5 试验过程 . 495.6 试验现象 . 495.7 试验数据分析 . 525.8 本章小结 . 65第 5 章 优化试验研究及数据分析5.1 概述对第 4 章试验结果以及存在的问题进行了优化设计。优化了撑杆耳板的方向以及底部的固定方式，优化了木材加工工艺，通过改变撑杆长度优化了张弦梁整体索形，并对加载方式进行优化，重新确立了一套优化
10、后的静力加载试验方案，对优化后的内容进行试验验证。通过试验结果与理论计算结果进行比对，证实优化后试验所得数据与理论计算基本吻合，优化方案可行且安全储备较高。在第 4 章的试验中，撑杆在拉索水平分力的作用下，撑杆 1 和撑杆 4 发生严重变形，均向张弦梁跨中方向发生倾斜，并且角度随荷载的增加逐渐增大。当总荷载施加到 36.5kN 时，撑杆 4 顶端耳板发生折断，导致拉索拉力的瞬间损失，整体结构出现松弛现象。主要原因为：原设计方案中，撑杆顶部耳板方向与张弦梁轴线方向垂直，拉索拉力的水平分力对顶部耳板施加一个弯矩的作用，导致耳板受弯破坏；撑杆底部圆环存在锋利棱角，钢丝绳对撑杆存在一个水平拉力，从而迫
11、使撑杆向张弦梁跨中位置进行移动。改进后方案：将撑杆顶部与连接件的耳板方向进行调换，从而使撑杆在张弦梁拉索作用的平面内可随意转动，实现铰连接。如下图 5-1 所示。.结论本文以某游泳馆改造工程为研究对象，对大跨度胶合木张弦梁进行优化研究。通过有限元分析和 1:3 的缩尺的模型试验提出了原设计存在不足，并对其进行重新优化。对优化后的设计方案又进行了有限元分析和 1:3 的缩尺的模型试验，经过试验验证优化后的设计方案更加合理。为实际工程设计提供依据。本文主要选取一榀大跨度胶合木张弦梁进行了相关研究，主要体现在以下几方面：（1）介绍了现代木结构发展的时代背景，介绍当前国内外大跨度胶合木结构以及张弦梁结
12、构的研究现状及存在的不足。对本文的研究背景进行介绍。（2）采用 SAP2000 有限元分析软件对张弦梁结构建模分析，得出各级荷载下应力应变关系，以及荷载挠度关系等，并根据有限元结果进行受力分析。（3）根据试验方案，首先制作了一个 1/3 缩尺的大跨度胶合木张弦梁试验模型，详细的介绍了试件制作的缩尺设计原则及张弦梁的各部分制作工艺。（4）进行了静力加载试验，对试验现象进行详细的描述，并对规定测点的挠度值和应变值进行了采集，对试验数据与有限元结果进行比对分析，对试验中出现的问题及不足找出了原因。（5）对试验中出现的不足进行了优化设计，设计后针对优化方案，制作了一个 1/3 缩尺的大跨度胶合木张弦梁结构试件进行试验验证，经对试验数据的计算及与有限元结果的比对，证明优化方案可行，不仅能够较好的满足工程需要，且安全储备更高，承载力性能更优。.参考文献（略）
