第 1 章 绪论
1.1 课题来源
本课题源于吉林省建苑设计集团有限公司承担的吉林省长春市全民健身中心游泳馆项目[35]，目前该项目是吉林省内跨度最大的胶合木梁结构，工程地点位于吉林省长春市，总建筑面积 10269m2 ，游泳馆屋顶采用胶合木结构梁为屋面荷载支撑，胶合木结构梁布置形式为单跨简支梁，游泳馆高度为 12.7m，跨度方向约30m，中间通过三个支撑点将胶合木梁分为 5 小跨。胶合木梁在制作完成后均在黑龙江省胶合木产品检验检测中心（大兴安岭神州北极木业有限公司）进行检测，验证满足胶合木产品的各项要求后开始吊装。吊装前期，吉林省建苑设计集团对长春市全民健身中心游泳馆屋顶梁进行承载力试验，以验证大跨度胶合木梁设计的准确性、可靠性。在承载力试验加载过程中，发现胶合木梁节点处受力较为复杂，吉林省建苑设计集团为进一步了解胶合木梁拼接节点抗弯承载力，特委托哈尔滨工业大学第二工程质量检测站对同种材质的两组胶合木梁拼接节点进行竖向承载能力检测，并对该胶合木梁拼接节点进行 ABAQUS 有限元仿真建模分析，通过对比胶合木梁拼接节点试验结果和胶合木梁节点模型分析结果，进一步了解该胶合木梁节点的受力情况。长春市全民健身中心游泳馆屋顶梁进行承载力试验见图 1-1、图 1-2 所示，哈尔滨工业大学第二工程质量检测站对胶合木梁拼接节点抗弯承载力试验报告见图 1-3，黑龙江省胶合木检测产品检验检测中心见图 1-4。
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1.2 研究意义
木材是常用的建筑材料，我国古代曾使用该材料建造了无数辉煌的木结构建筑，近代随着钢筋混凝土结构的兴起，木结构建筑的建造越来越少。近年来，人们越来越注意到钢筋混凝土建筑在建造和使用过程中会造成巨大的资源浪费，并相继采取措施，例如大力提倡装配式钢筋混凝土结构以减少建造过程中建筑垃圾的产生和对环境的污染，随着社会的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对居住环境的要求日益增高，开始从最初的安全、适用、耐久等要求转变到健康、舒适、节能、环保等要求上来。除上述原因以外，研究木结构的动因还有：木结构自身轻质、高强等优点；木结构建筑的抗震性能优良、材料利用率高等特点；木结构可再生、无污染的特点与国家提倡的政策方向相一致。因此，研究木结构建筑对今后建筑的发展具有重要意义。
木材是典型的各向异性材料，其本身的组织结构与物理力学性能之间的关系非常复杂，受力机理也不像各向同性材料那样明确。人们为了提升木材的适用性，19 世纪 90 年代由德国颁布的专利发明了胶合木（Glued Laminated Timber），此发明为现代木结构的发展打下坚实基础。将胶合木作为承重构件与传统原木相比，在以下几个方面具有明显的优势：（1）可以将长度相对较短、厚度相对较薄的原材料组装成十几米的构件，提升了木材的使用率；（2）解决天然原材的局限性，可以按照设计在胶合木工厂预制不同形状和造型的胶合木构件，扩大了木结构的使用范围，更加灵活的将胶合木构件应用到木结构建筑当中；（3）胶合木的制作需要将原材进行加工切割成规格材，此过程可以将原材当中的裂纹、虫蛀等缺陷进行处理，减小了材料缺陷对木构件的影响；（4）胶合木在制作过程中，更方便进行防火设计和防火处理，通过对规格材进行处理和使用不同的粘结剂，可以大大提升胶合木在防火、防腐等方面的性能；（5）胶合木通常采用工厂预制构件，可以更大程度的保证胶合木构件本身的性能，同时为现场施工提供了方便，大大减少了施工周期。
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第 2 章 胶合木基本物理力学性能试验研究
2.1 含水率测定
木材本身的构造使其区别于砌块、钢材、混凝土等建筑材料。木材物理性能指标除了受自身种类的影响，还会因自身所处环境的不同而产生较大的变化。木材的强度受木材含水率的影响：同样的木材，含水率不同，木材的强度也是不一样的。木材含水率是影响木材物理性能的重要指标之一，因此研究木材物理性能指标必须对木材的含水率进行控制。人们通过研究发现，木材含水率对木材自身物理性能的影响与木材的纤维饱和点有关：木材的含水率在达到纤维饱和点之前，木材的强度随着含水率的增加而下降，为保证测量参数的准确性，必须对木材进行含水率的测定。
本次含水率测定在大兴安岭神州北极木业有限公司木材性能实验室中进行。在木材含水率测定之前，使用机器对待测定试件进行表面打磨和木屑残渣的清理，使用的仪器有：MY-4 木材含水率测定仪（上海德沐泰钶科贸有限公司生产）、YP-4002 电子天平（杭州哈析仪器仪表有限公司生产）、电热鼓风干燥箱（天津市迪源试验仪器有限公司生产）。
具体实验步骤为：（1）使用 YP-4002 电子天平对木材试件进行称量，木材试件的初始质量记录为 M1（精确至 0.1g）；（2）按照《木材物理力学试验方法总则》的要求，将称量并记录为 M1 的木材试件放入电热鼓风干燥箱内，同时将电热鼓风干燥箱的温度条件设置为 58±2℃，待试样含水率达到 12%时，将试样取出，使用 YP-4002 电子天平对木材试件进行第二次称量，记录平衡含水率为 12%时的质量 M2，将含水率为 12%的试样置于温度为 20±2℃[27]，相对湿度为 65±3%[27]的密闭环境中；（3）参照《木材含水率测定方法》，将部分含水率为 12%的试件继续放入电热鼓风干燥箱内，并将电热鼓风干燥箱的温度调至 103±2℃，先持续烘干8h，然后取出木材试件进行质量测定，此过程在之后每隔 2h 对木材试件进行一次质量测定。按照《木材含水率测定方法》的要求，当木材试件在温度为 103±2℃的电热鼓风干燥箱内间隔 2 小时所测的质量差值不超过该木材试件质量的 0.5%时，认为该试件此时处于完全干燥状态，将其质量记为 M3。
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2.2 密度测定
密度也是影响木材强度的重要因素之一，按照《木材密度测定方法》GB/T1993-2009[9]的规定，对进行木材物理性能试验的同一批木材试件除了进行含水率的测定以外，还需要对其进行密度测定。本次密度测定是在大兴安岭神州北极木业有限公司木材性能实验室中进行。具体步骤为：利用电子天平测量待测构件的实际质量，利用游标卡尺测量待测构件的几何尺寸。
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第 3 章 有限元法探究胶合木梁节点受力性能.............................. 35
3.1 有限元软件概况................................... 35
3.1.1 有限元法的基本思想.................................... 35
3.1.2 ABAQUS 有限元软件简介........................36
第 4 章 基于 ABAQUS 有限元软件探究不同胶合木梁节点受力性能...................58
4.1 胶合木梁有限元模型简介.............................. 58
4.2 ABAQUS 探究纯胶合木梁的竖向受力性能.........................59
第 5 章 结论与展望................................ 64
5.1 本文主要工作.................................... 64
5.2 本文主要结论............................... 64
第 4 章 基于 ABAQUS 有限元软件探究不同胶合木梁节点受力性能
4.1 胶合木梁有限元模型简介
本章节运用 ABAQUS 有限元软件分别对纯胶合木梁、螺栓钢节点胶合木梁、工字钢节点胶合木梁进行分析，通过对比分析结果，了解不同胶合木梁的竖向受力性能，以方便在实际工程应用时进行选择。
纯胶合木梁在承受竖向荷载时，梁内各种内力全部由胶合木材料承担，参考第二章节中对胶合木材料应力-应变关系的研究可知，纯胶合木梁在竖向荷载作用下受力性能较差，表现为承受竖向荷载时挠度和变形均较大。
通过以上胶合木梁节点模型的 ABAQUS 有限元分析对比，可以发现：在竖向荷载作用下，纯木结构梁下侧受拉区的应力是最小的，螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁下侧受拉区的应力较纯木结构梁分别增大 49.45%、19.92%；纯木结构梁的最大应变是最小的，螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁最大应变较纯木结构梁分别增大 50.81%、23.77%；纯木结构梁的竖向位移是最大的，螺栓钢节点胶合木梁和工字钢节点胶合木梁竖向位移较纯木结构梁分别减小15.42%、27.97%。
从工程实际与胶合木加工工艺方面讲，纯木结构梁在工艺是最简单的，螺栓钢节点胶合木梁次之，工字钢节点胶合木梁最难。目前，螺栓钢节点胶合木梁已用于长春市全民健身游泳馆大跨度胶合木结构屋顶梁项目中，工字钢节点胶合木梁已形成国家专利。
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5.1 本文主要工作
本论文采用木材力学性能试验研究和 ABAQUS 有限元仿真模拟相结合的方法，对胶合木梁竖向受力性能进行研究，其内容分为三部分：
第一部分对木材力学性能进行试验研究，探究胶合木结构在抗拉、抗压时的应力-应变关系，推导胶合木构件在承受不同外力作用时木材纹路的排列方式。
第二部分将胶合木结构抗拉、抗压时的应力-应变关系导入 ABAQUS 有限元仿真模型中，对节点部分进行拟合分析，并与哈尔滨工业大学的相关试验结果进行对比，验证 ABAQUS 有限元仿真模拟分析的合理性、正确性。
第三部分将胶合木结构抗拉、抗压时的应力-应变关系导入长春市全民健身游泳馆大跨度胶合木结构屋顶梁节点模型及其优化模型中进行分析，并将优化模型节点分析结果与实际模型分析结果进行多方面对比，以便应用到今后的实际工程中。
第一部分对木材力学性能进行试验研究，发现木材顺纹方向的抗拉性能优于横纹径向、弦向的抗拉性能，木材横纹径向抗压性能优于横纹弦向的抗压性能，因此，胶合木梁在拼接时宜将顺纹方向沿梁的长度方向布置，而在胶合木梁制作过程中宜将承载能力较好的横纹径向沿胶合木梁的高度方向布置。
第二部分将胶合木结构抗拉、抗压时的应力-应变关系导入 ABAQUS 有限元仿真模型中，发现 ABAQUS 有限元仿真模拟分析结果与哈尔滨工业大学第二工程质量检测站的竖向承载能力试验检测结果基本一致：在 0kN—30kN 加载阶段ABAQUS 有限元模型挠度变化小于哈尔滨工业大学第二工程质量检测站的竖向承载能力试验检测结果；施加荷载在 150kN 时为临界点，在高于 30kN 低于 150kN范围内，胶合木梁施加荷载的速率与胶合木梁试件挠度的变化速率基本保持一致，两者基本呈线性关系，此时判断胶合木梁试件处于线弹性工作阶段；施加荷载超过 150kN 以后，随着施加荷载的不断增大，胶合木梁试件的挠度变化速率开始明显超过荷载的增加速率，此时判断胶合木梁试件进入弹塑性工作阶段，在此加载阶段 ABAQUS 有限元模型挠度变化速率均大于哈尔滨工业大学第二工程质量检测站的竖向承载能力试验检测结果，此现象在施加荷载超过 150kN 以后更为明显；施加荷载为 300kN 时，胶合木梁 ABAQUS 有限元模型分析结果挠度比哈尔滨工业大学第二工程质量检测站竖向承载能力试验检测结果挠度增加了 10%左右。
参考文献（略）