新型外包鋼—砼組合梁彎剪扭的非線性有限元模擬

高云

摘 要：基于3根新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁在彎剪扭作用下的試驗(yàn)成果，采用ANYSY參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）編制了命令流，對(duì)彎剪扭作用下組合梁的受扭性能進(jìn)行了非線性有限元分析（FEM）。FEM分析考慮了鋼筋與混凝土間的相互作用以及鋼與混凝土間的相互作用，較好地模擬了新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁的受力、破壞全過(guò)程，從而驗(yàn)證了運(yùn)用ANYSY對(duì)構(gòu)件受扭性能進(jìn)行模擬計(jì)算的有效性，為組合梁設(shè)計(jì)提供了實(shí)用的計(jì)算軟件。

關(guān)鍵詞：混凝土；彎剪扭作用；有限元模擬；滑移模型

中圖分類號(hào)：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.108

新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁是在彌補(bǔ)傳統(tǒng)普通工字鋼-混凝土組合梁缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出的一種新型組合梁。新型外包鋼-混凝土組合梁能充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高、鋼材抗拉性能好的優(yōu)勢(shì)，組合效應(yīng)顯著。組合梁是一種復(fù)合構(gòu)件，受扭性能非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)組合梁受扭性能的研究相對(duì)較少。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用ANSYS參數(shù)化程序語(yǔ)言（APDL）編制了命令流，對(duì)不同彎剪扭作用下組合梁的受力性能進(jìn)行了非線性有限元分析。

1 研究對(duì)象

本文選取了彎剪扭作用下的3根組合梁進(jìn)行分析，3根組合梁的截面尺寸相同?；炷恋膶?shí)測(cè)強(qiáng)度f(wàn)c=20.4 MPa；鋼筋采用Φ6，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)y=345 MPa；鋼板采用Q235鋼，厚4 mm的鋼板實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)y=354 MPa，厚8 mm的鋼板實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度f(wàn)y=288 MPa。

組合梁構(gòu)件的SBD3彎扭比為1∶1，SBD4彎扭比為3∶1；SBD5彎扭比為5∶1.

2 有限元模型和本構(gòu)關(guān)系

2.1 混凝土和鋼筋有限單元模型

混凝土采用ANSYS程序提供的三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（Solid65）。組合梁中的鋼筋采用三維桿單Link8。

2.2 “U”形外包鋼與墊塊有限單元模型

“U”形外包鋼采用Shell181殼單元，而墊塊采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（Solid45）。

2.3 外包鋼與混凝土的滑移模型

本文采用在外包鋼與混凝土界面上栓釘對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置長(zhǎng)度為零的非線性彈簧單元Combin39這一方法來(lái)模擬外包鋼與混凝土的黏結(jié)滑移問(wèn)題，彈簧的一端連接外包鋼板單元節(jié)點(diǎn)，另一端連接混凝土單元節(jié)點(diǎn)。

2.4 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

在ANSYS程序中，利用多線性等向強(qiáng)化模型MISO來(lái)表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.5 混凝土的破壞準(zhǔn)則

ANSYS中采用的失效模型是William and Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型，五個(gè)參數(shù)由試驗(yàn)確定?；炷了∮嘘P(guān)參數(shù)為：開裂剪力傳遞系數(shù)βt=0.5，閉合剪力傳遞系數(shù)βc=1.0，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=1.941 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=-1（不考慮混凝土壓碎），其他參數(shù)采用William and Warnke強(qiáng)度模型的默認(rèn)值。

2.6 鋼筋和“U”形外包鋼的本構(gòu)關(guān)系

假設(shè)鋼筋和“U”形外包鋼為理想彈塑性材料，不考慮強(qiáng)化段，則受拉和受壓方向相同。本文所采用鋼材的泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度取實(shí)測(cè)值。

此外，混凝土徐變、收縮效應(yīng)的影響因素較多，表現(xiàn)形式也較為復(fù)雜，本文僅討論短期荷載作用下梁的受扭情況。

2.7 黏結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系

采用如下本構(gòu)關(guān)系：

3 有限元模型的建立和求解

本文根據(jù)構(gòu)件實(shí)際情況建立起有限元模型，約束模型一端節(jié)點(diǎn)的所有自由度，從而模擬懸臂梁的固定端。在梁的自由端，沿加載鋼梁外側(cè)的節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)集中力等效合成扭矩，在底部節(jié)點(diǎn)施加向上的節(jié)點(diǎn)力模擬施加的彎矩和剪力。同樣采用彈簧單元來(lái)模擬外包鋼與混凝土之間的黏結(jié)滑移，不考慮混凝土的壓碎情況。

4 有限元分析結(jié)果

由于篇幅限制，本文僅截取SBD3梁和SBD4梁的部分成果圖。SBD3梁的扭矩-扭率曲線如圖1所示，SBD4梁扭矩-扭率和跨中撓度曲線如圖2所示。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁在彎剪扭作用下的構(gòu)件進(jìn)行了非線性有限元分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：①非線性有限元數(shù)值方法能較好地對(duì)新型組合梁的彎剪扭性能進(jìn)行模擬；②由于對(duì)混凝土材料本身性質(zhì)的模擬與實(shí)際情況有一定的差距，而且本文所采用的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系與實(shí)際滑移的情況也有差距，所以無(wú)論是極限荷載，還是變形曲線和試驗(yàn)，均存在一定的誤差，因此，需要對(duì)混凝土材料性質(zhì)和滑移的模擬進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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〔編輯：王霞〕