基于ANSYS的鋼—混凝土組合橋面板非線性行為分析

王瀟碧　宋瑞年

摘要：文章采用ANSYS軟件建立鋼-混凝土組合橋面板的三維有限元模型，對(duì)材料及連接界面的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則、網(wǎng)格劃分等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了分析；基于對(duì)栓釘和開孔鋼板作用機(jī)理的研究，探討了采用非線性彈簧單元和接觸單元兩種不同形式模擬界面力學(xué)性能的方法；通過有限元模型與實(shí)際模型的試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了分析方法的正確性，可用于研究鋼-混凝土組合橋面板的粘結(jié)滑移、豎向掀起和極限承載力等力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；鋼-混凝土組合橋面板；有限元方法；非線性分析；滑移；掀起 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U441 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0384

鋼-混凝土組合橋面板是由鋼底板和上層混凝土板通過栓釘或開孔鋼板等形式的剪力連接件結(jié)合而成的新型橋面板，不僅具有較高的承載能力，而且自重較小、經(jīng)濟(jì)性好，適用于現(xiàn)代大跨度橋梁的設(shè)計(jì)。由于材料非線性、界面非線性和幾何非線性等因素的共同影響，對(duì)這種新型組合橋面板力學(xué)性能的研究仍存在諸多問題。模型試驗(yàn)是目前最常用的研究方法，但會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力及物力，而且試驗(yàn)過程中的不確定因素會(huì)影響部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，為處理數(shù)據(jù)和總結(jié)規(guī)律帶來困難。有限元方法是一種實(shí)用有效的研究方法，且與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但很少考慮掀起效應(yīng)的影響。

基于以上討論，本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)某鋼-混凝土組合橋面板模型試驗(yàn)進(jìn)行全過程分析，考慮了滑移和掀起效應(yīng)，探討了適用于栓釘和開孔鋼板的有限元模擬方法。本文可為鋼-混凝土組合橋面數(shù)值分析提供參考，為組合結(jié)構(gòu)的機(jī)理研究和參數(shù)分析提供幫助。

1 組合橋面板構(gòu)件參數(shù)

組合橋面板構(gòu)件的主要截面尺寸見圖1和圖2。鋼板及PBL剪力鍵使用Q235-C鋼材，普通鋼筋使用HRB400，混凝土橋面板采用C40鋼纖維混凝土，鋼纖維摻入量為100kg/m3。

圖1 試件典型截面示意圖

圖2 試件立面示意

1.1 材料及單元

由于鋼材的材質(zhì)均勻，其單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性，且試驗(yàn)過程中未涉及卸載和再加載的過程，鋼材本構(gòu)關(guān)系可以采用較簡單的雙折線模型進(jìn)行模擬，如圖3A所示。混凝土本構(gòu)關(guān)系參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ50010-2002），不考慮下降段影響，采用MISO模型模擬，如圖3B所示：

圖3 材料本構(gòu)關(guān)系

工字型鋼梁采用SHELL63單元分別模擬上下翼緣板及腹板，混凝土板采用SOLID65六面體單元模擬，并考慮混凝土開裂的影響。

1.2 組合界面模擬

組合結(jié)構(gòu)連接界面的約束方式主要有材料間的初始粘聚力、摩擦力及剪力鍵的機(jī)械連接三種。因此，本文將接觸單元CONTA173、TARGE170布置于整個(gè)連接界面，通過實(shí)常數(shù)COHE和μ分別模擬初始粘聚力和摩擦力，同時(shí)在剪力鍵處添加非線性彈簧單元COMBIN39，模擬剪力鍵的作用。用該方法模擬組合界面，可以考慮界面間的滑移和掀起對(duì)組合橋面板力學(xué)性能的影響。

1.3 邊界條件及建模過程

為消除邊界約束及加載條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，模型工字鋼梁向兩側(cè)分別延伸了1.11m，并在端部采用固接約束。建立鋼墊塊作為加載塊，逐級(jí)加載至模型破壞。本文先建立幾何模型，然后劃分網(wǎng)格形成有限元模型。通過調(diào)整，模型的主要網(wǎng)格尺寸定為100mm，單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果如圖4所示：

圖4 ANSYS模型 圖5 荷載-撓度曲線

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 撓度結(jié)果

最大變形位于加載塊下方的組合橋面板處，圖5所示為撓度測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過百分表測(cè)量。

試驗(yàn)表明，鋼混組合橋面板具有很好的延性，有限元模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果較接近，極限撓度誤差為8%，極限承載力誤差僅為1%。

2.2 界面滑移

圖6所示為跨中靠近加載塊一側(cè)混凝土板和鋼板之間的荷載-滑移曲線，當(dāng)荷載達(dá)到250～300kN之間時(shí)，鋼與混凝土界面之間開始出現(xiàn)滑移。有限元結(jié)果偏于保守，滑移出現(xiàn)較早，在150kN附近。實(shí)際測(cè)試結(jié)果在荷載水平較低時(shí)滑移不明顯，是因?yàn)樵撎幖袅︽I的物理阻擋作用，有限元模型的界面關(guān)系只是模擬剪力鍵的作用，并未建立真實(shí)物理模型，因此二者出現(xiàn)偏差，但隨著荷載的增加，兩者結(jié)果漸漸統(tǒng)一。

圖6 跨中荷載-滑移曲線

2.3 界面掀起

掀起測(cè)試的位置為工字鋼梁上翼緣板處，X2靠近跨中，X4靠近梁端。典型掀起測(cè)試結(jié)果見圖7所示，隨著加載荷載的增大，掀起測(cè)試結(jié)果曲線非線性表現(xiàn)明顯，且不同位置的掀起表現(xiàn)出不均勻性的特征。有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同，但曲線不平滑，數(shù)值分析模型在對(duì)界面掀起分析方面還有待改進(jìn)。

圖7 荷載-掀起曲線

3 結(jié)語

采用本文方法對(duì)組合橋面板受力性能進(jìn)行研究，并與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，得出結(jié)論如下：（1）通過關(guān)鍵參數(shù)的合理取值，采用有限元方法的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能夠用于組合橋面板力學(xué)性能研究；（2）采用接觸單元和彈簧單元模擬組合結(jié)構(gòu)界面行為是一種可行的分析方法，但有限元分析的界面掀起曲線平滑程度較差，有待改進(jìn)；（3）組合結(jié)構(gòu)界面行為復(fù)雜，有限元分析結(jié)果受彈簧單元和接觸單元的參數(shù)影響較大，如何確定合理的參數(shù)有待進(jìn)一步研究。

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作者簡介：王瀟碧（1988-），女，內(nèi)蒙古人，四川大學(xué)錦城學(xué)院助教，研究方向：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、橋梁損傷識(shí)別；宋瑞年（1987-），男，山東人，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院在讀博士，研究方向：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）