簡支H型鋼加固混凝土組合梁二次受力下極限承載力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科學(xué)研究院有限公司)

簡支H型鋼加固混凝土組合梁二次受力下極限承載力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科學(xué)研究院有限公司)

在已有簡支H型鋼加固混凝土組合梁模型實(shí)驗(yàn)[1]基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS建立二次受力下跨中兩點(diǎn)對(duì)稱加載簡支H型鋼加固混凝土組合梁有限元模型，分析二次受力對(duì)型鋼加固混凝土組合極限承載力的影響。

組合梁、二次受力、有限元分析

一、研究背景

實(shí)際加固工程中，加固梁已承受一定初始荷載，加固過程中通常難以完全卸載。對(duì)于不完全卸載加固，加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受一定初始荷載（即第一次受力），加固后新增構(gòu)件并不立即分擔(dān)荷載，而是在新增荷載下（即第二次加載下情況下）才開始受力，這種情況稱為“二次受力”。在已有簡支H型鋼加固混凝土組合梁模型實(shí)驗(yàn)[1]基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS建立二次受力下跨中兩點(diǎn)對(duì)稱加載簡支H型鋼加固混凝土組合梁有限元模型，分析二次受力對(duì)型鋼加固混凝土組合極限承載力的影響。

二、受力分析方法選取

利用有限元軟件ANSYS的“單元生死”技術(shù)模擬二次受力問題。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1.建立模型，包括原梁混凝土、鋼筋單元和后加鋼梁、錨栓、結(jié)構(gòu)膠單元模型。混凝土單元采用有限元單元SOLID 65模擬。鋼筋單元采用Link8單元類型模擬。H型鋼梁單元采用SOLID45單元模擬。高強(qiáng)錨栓采用COMBIN39彈簧單元模擬。結(jié)構(gòu)膠采用COMBIN14彈簧單元模擬[2]。

2．“殺死(ekill ) "后加鋼梁、錨栓、結(jié)構(gòu)膠單元模型；僅保留原梁混凝土、鋼筋單元模型。

3.計(jì)算原梁混凝土、鋼筋單元單獨(dú)受力模型。

4.將原梁模型分析結(jié)果寫入特征文件

5. “激活（ealive )” 后加鋼梁、錨栓、結(jié)構(gòu)膠單元模型。

6.調(diào)入特征文件作用于模型，“重啟動(dòng)”計(jì)算

7.進(jìn)行共同作用階段分析

三、有限元建模

有限元分析，混凝土等各種材料的基本參數(shù)的數(shù)據(jù)設(shè)置同試驗(yàn)所用材料材性相同，便于結(jié)果對(duì)比研究。主要材料的參數(shù)如下：

1.混凝土

混凝土需要輸入的材料參數(shù)為彈性模量EC、泊松比μ、抗壓強(qiáng)度fC、抗拉強(qiáng)度ft，裂縫間剪力傳遞系數(shù)β，混凝土輸入?yún)?shù)見表1。

2．鋼材

鋼材需要輸入的材料參數(shù)為彈性模量Es、強(qiáng)化模量E’s、泊松比μ和屈服強(qiáng)度fy，見表2。

3．建立分析模型

鋼筋混凝土和H型鋼梁分別采用SOLID65和SOLID45實(shí)體單元分別建立獨(dú)立的模型，劃分網(wǎng)格時(shí)須保持混凝土下表面網(wǎng)格和型鋼上表面網(wǎng)格劃分一致，以使兩者組合為整體模型時(shí)能形成界面公共節(jié)點(diǎn)，便于設(shè)置界面剪力連接件的單元。

界面的COMBIN39和COMBIN14彈簧單元均設(shè)置在梁跨長向，即界面的縱向，而豎向和橫向節(jié)點(diǎn)位移耦合；在兩點(diǎn)對(duì)稱集中力處取左右單元加載區(qū)設(shè)置彈性墊板，墊板底面與混凝土頂面公共節(jié)點(diǎn)耦合，協(xié)調(diào)自由度。

為得到與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)果，并進(jìn)一步進(jìn)行分析，本文建立Z1、Z2、Z3、Z3A四組有限元模型梁，如表3所示。

四、有限元模型極限承載力對(duì)比分析

整理ANSYS有限元分析結(jié)果，提取Z1、Z2、Z3、Z3A系列有限元模型數(shù)據(jù)，并結(jié)合試件ZL1～ZL3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得極限承載力對(duì)比如表4至7所示。

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分析上述各圖表對(duì)比結(jié)果，可得以下結(jié)論：

1.一次受力下Z1至Z3系列加固梁有限元分析得到的極限承載力與實(shí)驗(yàn)值相差在10%以內(nèi)，二者吻合較好。

2.二次受力下Z1至Z3系列加固梁的極限承載力隨著初始荷載的增大呈降低趨勢(shì)，推其主要原因?yàn)椋撼跏己奢d增大使梁的初始裂縫增多，導(dǎo)致了原梁損傷的增大從而導(dǎo)致了加固梁極限承載力降低。

3.按完全抗剪連接設(shè)計(jì)的Z1、 Z2、Z3系列加固梁隨初始荷載增加，極限荷載減小率在10%以內(nèi)，極限荷載受初始荷載影響不大；相比之下按部分抗剪連接設(shè)計(jì)的Z3A系列加固梁的極限荷載減小率最大能達(dá)到13.04%。由此推知，二次受力下剪力連接程度的降低，將導(dǎo)致組合梁的極限承載力下降較大。

[1]李硯波，方超，劉洪立．鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在加固改造工程中的應(yīng)用．建筑結(jié)構(gòu)，2007，(01):71～74

[2]李權(quán)，ANSYS在土木工程中的應(yīng)用。北京：人民郵電出版社，2005

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