基于OpenSees的正交胶合木构件抗火性能数值模拟

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近年来,随着我国建筑行业的快速发展,建筑结构形式日趋多元化。国家重点研发计划重点专项“绿色建筑及建筑工业化”的推进,也有力推动了木结构建筑的相关研究与工程应用。现代木结构建筑因其环保、节能等优点受到国内外广泛关注,并且涌现出了多种工程木产品。正交胶合木(CLT)作为现代工程木结构产品之一,因其层板正交组坯的特点,目前常用于楼板及墙体的建造。然而木结构的抗火性能一直是制约其发展的重要因素,对正交胶合木构件的抗火性能研究还不够深入,加上进行正交胶合木构件抗火性能相关的试验研究耗费资金大、试验设备要求高,等等原因都消减了研究人员的研究热情。因此,探索使用高效且精确的计算机软件来模拟预测正交胶合木结构建筑的抗火性能非常有必要。本文以正交胶合木墙体与楼板为研究对象,将有限元分析软件OpenSees作为工具,探究了正交胶合木构件抗火性能的数值模拟方法。研究的主要内容分为以下部分:(1)总结了国内外关于正交胶合木墙体与楼板的研究现状,其中包括正交胶合木楼板的弯曲性能、剪切性能以及抗火性能与正交胶合木墙体的常温力学性能、抗火性能。(2)在OpenSees内开发并添加了适用于木材热传递分析的材料模型TimberEC5,并通过对正交胶合木板的火灾试验温度场模拟,验证了TimberEC5材料的准确性。实现了在OpenSees内对以木材为材料的构件或结构进行标准火灾模拟,能够得到不同时刻试件内部温度场的变化。(3)在OpenSees的力学材料库中开发并添加了满足木材各向异性的材料本构,分别为EPTimber、EPTimberThermal、EPTimberThermal After。它们实现了木材在常温下、高温下、高温后力学性能的变化,使得能够在OpenSees平台上对木结构进行热-力耦合数值模拟分析,考虑火荷载对结构或构件的影响。进行了简单的单轴拉压测试,验证了所开发材料的有效性、与OpenSees平台的匹配性。(4)对正交胶合木墙体受火后剩余承载力试验与耐火极限试验进行了数值模拟,并通过对正交胶合木墙体进行参数化分析,探究了高厚比、层板组成、受火时间等因素对墙体抗火性能的影响,其中包括剩余承载力与耐火极限,并给出相应的变化规律。(5)对正交胶合木楼板耐火极限试验进行了数值模拟,对正交胶合木楼板受火后剩余承载力进行了数值模拟研究,得出了楼板受火后剩余承载力变化的规律,并通过对正交胶合木楼板进行参数化分析,探究了跨高比、层板组成、受火时间等因素对楼板抗火性能的影响,并给出相应的变化规律。
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