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在歐美等國(guó)家，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑已廣泛應(yīng)用于中低層住宅、低層公共建筑和商業(yè)建筑等領(lǐng)域。近年來(lái)，木結(jié)構(gòu)又重新走入了我們的視野，且出現(xiàn)了一批采用膠合木技術(shù)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)和鋼木組合結(jié)構(gòu)。因此，有理由相信木結(jié)構(gòu)房屋在中國(guó)的應(yīng)用前景將十分廣闊.與普通木結(jié)構(gòu)相比，膠合木以缺陷分散、強(qiáng)度高、受力合理等優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的首選材料。盡管膠合木優(yōu)勢(shì)突出，但普通膠合木梁的破壞形式多為脆性受拉破壞，其抗壓強(qiáng)度未能充分發(fā)揮，且變形較大。因此，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入到膠合木梁中可以減小梁變形，充分利用膠合木的受壓強(qiáng)度，達(dá)到發(fā)生延性破壞的目的。
目前，國(guó)外對(duì)于膠合木梁的研究主要集中在用新型材料加強(qiáng)膠合木上，通過(guò)與普通膠合木梁的對(duì)比試驗(yàn)評(píng)價(jià)新型加強(qiáng)膠合木梁的受力性能和破壞形態(tài)。國(guó)內(nèi)主要對(duì)工程木梁受力時(shí)的各種影響因素進(jìn)行研究，對(duì)預(yù)應(yīng)力木梁中預(yù)應(yīng)力的施加方法、撓度的計(jì)算等進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析。上述研究中要么沒有在膠合木梁中施加預(yù)應(yīng)力，要么沒有在預(yù)應(yīng)力梁中引入膠合木材料。因此，有必要借鑒前人研究成果，對(duì)所提出的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁加以研究。
杭州那泰有限元分析公司應(yīng)用大型有限元程序 ABAQUS對(duì)所提出的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁進(jìn)行有限元分析，對(duì)比在集中荷載作用下預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁和普通膠合木梁的撓度、剛度和極限載荷的變化規(guī)律，分析預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量和預(yù)加力數(shù)值對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁受彎性能的影響，對(duì)該梁的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
選取長(zhǎng)度為3150mm，跨度為3000mm，截面尺寸為100mm×100mm的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁為模型，其中膠合木部分的材質(zhì)為東北落葉松，預(yù)應(yīng)力筋選用直徑 7 mm的低松弛1570級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲。其中，預(yù)應(yīng)力的施加采用絲扣擰張橫向張拉的方式，即通過(guò)調(diào)整位于梁跨中的張拉桿的伸長(zhǎng)量來(lái)施加預(yù)應(yīng)力。
由預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁模型可知，當(dāng)總預(yù)加力數(shù)值相同時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量越多每根預(yù)應(yīng)力筋所承擔(dān)的預(yù)加力值越少，張拉桿的伸長(zhǎng)量就越小，梁的反拱越小；當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量相同時(shí)總預(yù)加力數(shù)值越大張拉桿的伸長(zhǎng)量就越大，梁的反拱越大。
將模型分為 A、B 兩組，A 組控制總預(yù)加力數(shù)值相同，通過(guò)改變預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量研究預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁受彎承載能力、撓曲變形的影響。
設(shè)置截面尺寸分別為100mm×100mm 的L0和100mm×165mm的La0兩根普通膠合木梁用作對(duì)比分析，其中 La0與配置 4 根預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁La2的極限載荷是相同的。B組控制預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量相同，通過(guò)改變總預(yù)加力數(shù)值研究總預(yù)加力數(shù)值對(duì)預(yù)應(yīng)力膠合木張弦梁受彎承載能力、撓曲變形的影響。模型采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載，即在兩組試驗(yàn)梁及試驗(yàn)對(duì)比梁的三分點(diǎn)處同時(shí)施加大小相同的外部集中力 F。
木材屬于各向異性材料，完全各向異性材料的物理特性需要 21個(gè)獨(dú)立的常數(shù)來(lái)描述，但由于木材的橫紋強(qiáng)度明顯低于順紋強(qiáng)度，而徑向與切向的物理特性相差不大，所以假設(shè)研究對(duì)象是有兩個(gè)正交對(duì)稱面的材料，可將其物理特性縮減為 9 個(gè)。參考《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50708-2012）等資料，按照正交各向異性材料定義膠合木的相關(guān)參數(shù)。其中，E1、E2、E3分別表示順紋方向、徑向和切向的彈性模量；γ12、γ13、γ23分別代表三個(gè)泊松比；G12、G13、G23分別代表3個(gè)平面內(nèi)的剪切彈性模量。
預(yù)應(yīng)力筋的材料性能按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)進(jìn)行取值，其中彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為1110 N/mm2。墊塊采用各向同性的線彈性材料，為避免墊塊和膠合木的彈性模量因相差較大而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂，因此取其彈性模量 E=2.1×106MPa，泊松比為0.3，以模擬墊塊剛度無(wú)限大。
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