外包鋼—混凝土組合梁負彎矩區(qū)承載力數(shù)值分析*

陳 歡，陳銳林，戴可以，任海龍，陸亞平

(湘潭大學 土木工程與力學學院，湘潭 411105)

外包鋼—混凝土組合梁負彎矩區(qū)承載力數(shù)值分析*

陳 歡，陳銳林，戴可以，任海龍，陸亞平

(湘潭大學 土木工程與力學學院，湘潭 411105)

針對外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)抗彎承載力性能，利用ABAQUS6.12有限元軟件對組合梁進行非線性有限元數(shù)值模擬.有限元結(jié)果與試驗值對比結(jié)果吻合較好.利用該模型，分析外包鋼-混凝土組合梁負彎矩變形機理，探討了混凝土強度等級、抗剪連接件間距、鋼材屈服強度等因素對組合梁負彎矩區(qū)承載力的影響，為工程設計提供依據(jù). 關鍵詞：組合梁；抗彎承載力；變參數(shù)；有限元分析

0 引 言

本文所用的外包鋼-混凝土組合梁是在普通鋼-混凝土組合梁基礎上發(fā)展起來的新型構(gòu)件，它是以較厚鋼板為底板，腹板采用較薄的冷彎薄壁型鋼，通過焊接連接形成U形截面，然后在U形截面內(nèi)澆注混凝土，作為T形組合梁的肋部，翼緣板可為現(xiàn)澆樓板，鋼與混凝土通過抗剪連接件共同工作.組合梁負彎矩區(qū)翼板由于受拉開裂，受拉區(qū)開裂混凝土退出工作，組合梁截面主要由鋼梁和負彎矩區(qū)的鋼筋和部分混凝土組成，截面剛度減小[1]，因此結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)往往由負彎矩區(qū)混凝土開裂后板內(nèi)鋼筋的屈服和鋼梁的屈曲控制[2].在正常使用階段，當混凝土板開裂后，會導致組合梁剛度降低，因此對組合梁負彎矩區(qū)的承載力研究就尤為重要.王慶利等[3]研究了傳統(tǒng)設計方法[4～5]和規(guī)程設計方法，彌補了兩種方法的不足，得出了合理的計算方法.陳世鳴等[6]對體外預應力組合梁進行了承載力試驗研究，得出對組合梁負彎矩區(qū)施加預應力后，能有效提高截面的開裂彎矩.

為了進一步探討外包鋼-混凝土組合梁的負彎矩區(qū)組合效應抗彎承載力，合理進行外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)的裂縫控制[7]，深入開展對外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)抗彎承載力的分析研究，具有十分重要的理論意義和廣闊的應用前景.利用ABAQUS有限元軟件，建立了單跨倒置簡支組合梁的非線性模型，并對其受力過程進行了非線性數(shù)值分析.研究了主要參數(shù)對組合梁受力性能的影響，為工程設計提供了參考.

1 有限元模型

1.1 實驗概述

陳麗華[8]針對簡支外包鋼-混凝土組合梁和連續(xù)外包鋼-混凝土組合梁進行了系列試驗研究.本文選取其中兩根簡支梁試件作為研究對象，用來研究組合梁在負彎矩作用下的極限受彎承載力和剛度，為連續(xù)組合梁提供依據(jù).試件的構(gòu)造和參數(shù)如圖1和表1所示.

表1 試件主要參數(shù)

圖1 試驗簡支梁構(gòu)造圖

1.2 三維有限元模型

本文利用ABAQUS軟件建立外包鋼-混凝土組合梁有限元模型，如圖2所示.外包鋼-混凝土組合梁是由U形鋼梁、混凝土梁、抗剪連接件、鋼筋組成.其中U形鋼梁側(cè)板采取S4R四節(jié)點有限薄膜應變線性減縮單元；U形鋼梁底板和混凝土梁選取三維八節(jié)點線性縮減積分單元C3D8R；抗剪連接件采用有阻尼器和彈簧組成的 AXIAL 單元來模擬；梁內(nèi)縱筋采取三維2節(jié)點桁架單元T3D2；混凝土和鋼梁的連接采用MERGE命令結(jié)合在一起，還利用摩擦接觸PENALTY(罰函數(shù))摩擦公式定義了鋼梁與混凝土之間的接觸屬性.

圖2 組合梁有限元模型

2 外包鋼-混凝土組合梁數(shù)值模擬

運用ABAQUS建立的三維有限元模型對試驗進行了非線性數(shù)值模擬，計算得到了組合梁及組合梁跨中荷載—撓度曲線和極限承載力試驗值與模擬值對比結(jié)果，分別如表2和圖3所示.

外包鋼-混凝土組合梁彈性工作階段是從開始加載到外包鋼梁底板開始屈服為止，此時組合梁整體工作性能好，荷載和跨中撓度變形呈線性增長.當荷載達到極限荷載的70%左右，鋼梁底板開始屈服，而鋼梁的其他部分都還處在彈性工作階段，組合梁的試驗值和非線性有限元模擬值吻合較好.

表2 主要試驗值與模擬值對比結(jié)果

注：Py是外包鋼組合梁底板達到屈服時的屈服荷載；Pu是試件達到破壞時所承受的最大荷載值；My、Mu分別為對應著荷載Py、Pu跨中截面的彎矩值；δy、δu分別對應著荷載Py、Pu跨中截面的撓度值.

圖3 跨中荷載—撓度曲線試驗值與有限元結(jié)果對比圖

3 有限元參數(shù)分析

由于本文主要研究外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)的受力性能，本節(jié)選用帶混凝土翼緣板模型SBD-5外包鋼-混凝土組合梁為例，改變了模型中混凝土強度、剪力連接件間距及鋼材屈服強度等參數(shù)，進行一系列變參數(shù)分析，分析了模型各種參數(shù)對外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)受力性能和跨中撓度-應力分布情況的影響.得到跨中荷載-撓度曲線如圖4所示.

圖4 各參數(shù)變化對組合梁荷載撓度曲線的影響

隨著混凝土等級的增加，如圖4(a)所示，組合梁的極限承載力有所增加，但幅度不大，當混凝土強度等級從C40提高到C50，其極限承載力僅提高了3%.在模型彈性工作階段，外包鋼-混凝土組合梁在負彎矩區(qū)段撓度值比較小，其中撓度變形受混凝土強度等級變化影響較大，隨著組合梁模型進入彈塑性工作階段之后，組合梁撓度變形隨混凝土強度的增大而增加，并且增加幅度較大.

隨著抗剪件間距的增加，如圖4(b)所示，在模型彈性工作階段，外包鋼-混凝土組合梁在負彎矩區(qū)段撓度變形受到抗剪連接件間距變化影響比較小.抗剪連接件間距的對組合梁負彎矩區(qū)段抗彎承載力影響不大，但是要考慮滑移因素的影響.在加載初始階段，采用不同抗剪連接件間距模型的跨中撓度變形相差很小，表明不同抗剪件間距的組合梁初始剛度相差不大；隨著施加荷載的增大，抗剪連接件間距較大的模型其跨中撓度增加速度明顯大于間距較小者，表明較大的抗剪連接件間距造成結(jié)構(gòu)整體剛度在較高荷載作用下降低更為快速.雖然抗剪連接件間距大的組合梁承載力降低，但其同時具有較大的塑性變形能力，改善了結(jié)構(gòu)的延性.抗剪連接件間距不同對承載能力極限狀態(tài)下鋼梁的跨中截面應力分布影響較小，對彈性階段影響較大.

隨著鋼材屈服強度的增加，如圖4(c)所示，組合梁的極限承載力有了大幅的增加.當鋼材強度有235 MPa提高到420 MPa時，組合梁的極限承載力提高了20%，不同屈服強度等級的組合梁在彈性階段荷載-撓度曲線重合，鋼材屈服強度等級越低的組合梁越先進入彈塑性階段且截面抗彎承載力越低.

4 結(jié) 論

針對外包鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)段的受力性能分析，本文利用有限元軟件ABAQUS對組合梁負彎矩作用下受力過程進行了非線性數(shù)值分析，探討了相關參數(shù)對其抗彎承載力性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)組合梁負彎矩區(qū)段混凝土翼緣因為較小的拉應力就開裂退出工作，雖然隨著混凝土強度等級的增加負彎矩區(qū)的抗彎承載力有所增加但是幅度不大.考慮安全可靠和經(jīng)濟適用，建議選用C30～C40之間的混凝土；

(2)抗剪連接件間距的對組合梁負彎矩區(qū)段抗彎承載力影響不大，確保在一定抗剪連接程度下，抗剪連接件布置不宜過密，避免造成對混凝土的劈裂破壞，且增加了施工難度；在對撓度沒有嚴格限制的情況下，也可適當降低抗剪連接程度以增加結(jié)構(gòu)延性.

(3)提高鋼材屈服強度能顯著提高組合梁負彎矩區(qū)的抗彎承載力，但對負彎矩區(qū)抗彎剛度無明顯影響；建議組合梁中采用強度等級高的鋼材，可以獲得較高的抗彎承載力，以達到節(jié)省鋼材的目的.

[1] 樊建生，聶建國．負彎矩作用下考慮滑移效應的組合梁承載力分析[J]. 工程力學，2005，22(3)：177-182.

[2] 周期源. 冷彎薄壁型鋼-混凝土組合梁抗彎承載性能研究[D]. 南昌大學碩士學位論文，2006.

[3] 王慶利，張曰果，劉德清，張文穎. 鋼-砼組合梁負彎矩區(qū)抗彎承載力的計算建議[J]．沈陽建筑工程學院學報(自然科學版)，2004，20(2)：101-103.

[4] Johnson RP. Composite Structures of Steel and Concrete [M].London：Granada Publishing Ltd.， 1984.

[5] 王連廣. 鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計算[M]. 北京：科學出版社，2005.

[6] 陳世鳴,孫森泉,張志彬. 體外預應力鋼-混凝土組合梁負彎矩區(qū)的承載力研究[J]. 土木工程學報，2005，38(11)：14-21.

[7] 康習軍，余志武，張詢安. 鋼-混凝土組合梁負彎矩裂縫非線性有限元模擬分析[J]. 長沙鐵道學院學報，2003，21(1)：28-33.

[8] 陳麗華. 新型外包鋼-混凝土連續(xù)組合梁及粱柱節(jié)點的實驗研究[D]. 東南大學博士學位論文，2005.

Numerical Analysis on Hogging Moment’s Capacity of Steel-encased Concrete Composite Beams

CHEN Huan，CHEN Rui-lin，DAI Ke-yi，REN Hai-long，LU Ya-ping

(College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University， Xiangtan 411105， China)

Aiming at flexural capacity of steel-encased concrete composite beams under hogging moment, the paper uses the finite element software ABAQUS6.12 to nonlinearly simulate composite beams. The experiment analysis shares the same results as the calculation results. With the model, the thesis intends to analyze the deformation mechanism of steel-encased concrete composite beams’ hogging moment. And the paper analyzes the effects of the main parameters, such as concrete strength grade, spacing of shear connectors and steel strength grade on hogging moment, which provides some useful references for engineering design.

composite beams; flexural capacity; variable parameters; finite element analysis

2016-03-01

陳 歡(1990—)，女，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.

TU375

A

1671-119X(2016)04-0080-04