中穿H型鋼冠梁截面削弱影響研究

黃志波 林奇 鄭春婷

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院 福建福州 350002；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350108；3.福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350002)

?

中穿H型鋼冠梁截面削弱影響研究

黃志波1林奇2鄭春婷3

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院 福建福州 350002；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350108；3.福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350002)

研究由于中穿H型鋼導(dǎo)致的截面削弱對(duì)混凝土冠梁受力變形的影響，對(duì)揭示中穿H型鋼混凝土冠梁的受力變形特征及完善其設(shè)計(jì)理論具有重要意義。采用midas有限元軟件分別建立中穿H型鋼冠梁和實(shí)體混凝土冠梁的有限元模型，對(duì)比分析其在受力變形的異同點(diǎn)。研究表明：中穿H型鋼混凝土冠梁在荷載作用下，其位移及應(yīng)力比實(shí)體混凝土冠梁的大。中穿H型鋼混凝土冠梁與實(shí)體混凝土冠梁的應(yīng)力分布形式有明顯的不同。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮中穿H型鋼對(duì)混凝土的削弱作用。

H型鋼;截面削弱;冠梁;邁達(dá)斯

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，中穿H型鋼混凝土冠梁廣泛運(yùn)用于基坑支護(hù)工程中，并取得良好的運(yùn)用效果。然而，至今未見用于設(shè)計(jì)中穿H型鋼混凝土冠梁的軟件，其設(shè)計(jì)理論及依據(jù)存在空白，致使對(duì)中穿H型鋼混凝土冠梁的設(shè)計(jì)只能借鑒實(shí)體混凝土梁的相關(guān)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前，學(xué)者對(duì)中穿H型鋼混凝土冠梁進(jìn)行研究主要集中在介紹具體工程的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其應(yīng)用效果[1-6]，未見其設(shè)計(jì)理論或受力特征方面的研究成果。為此，本文基于寧德逸濤商城的基坑工程項(xiàng)目，分別建立截面削弱與否的混凝土冠梁有限元模型，對(duì)比分析由于中穿H型鋼導(dǎo)致的截面削弱對(duì)混凝土冠梁受力變形的影響，以期有助于完善中穿H型鋼混凝土冠梁的設(shè)計(jì)理論。

1 工程概況及有限元模型的建立

1.1 工程概況

圖1 H型鋼樁內(nèi)撐支護(hù)體系局部示意圖

(a)冠梁剖面圖 (b)1-1剖面 (c)2-2剖面圖2 冠梁詳圖

圖3 中穿H型鋼混凝土冠梁有限元模型

寧德逸濤商城的基坑工程地質(zhì)情況及周邊環(huán)境較為復(fù)雜，采用H型鋼樁+鋼管內(nèi)撐的支護(hù)形式，局部示意圖如圖1所示。根據(jù)理正深基坑軟件對(duì)圖1的典型支護(hù)剖面的計(jì)算，可知H型鋼的剪力約為60kN。將H型鋼作用在冠梁的荷載近似視為均布荷載，分布長(zhǎng)度為H型鋼的翼緣寬度，則荷載集度為200kN/m。中穿H型鋼冠梁圖如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

在H型鋼樁+鋼管內(nèi)撐支護(hù)體系中，冠梁的內(nèi)力主要是由于H型鋼樁的相對(duì)變形導(dǎo)致的。如圖1所示，由于支撐的存在，使得冠梁兩端和中間有鋼支撐處H型鋼的位移相對(duì)其他位置的較小，可將中穿H型鋼混凝土冠梁簡(jiǎn)化為兩端固定其余簡(jiǎn)支的8跨連續(xù)梁。

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，對(duì)于等跨度、荷載和支承條件相同的連續(xù)梁除了端部?jī)煽鐑?nèi)力外，其他所有中間跨的內(nèi)力較為接近。再者，本文旨在研究由于中穿H型鋼導(dǎo)致的截面削弱對(duì)混凝土冠梁受力變形的影響，故將上述8跨連續(xù)梁簡(jiǎn)化為跨度為8700mm、荷載為100kN/m、兩端固定其余簡(jiǎn)支的5跨等跨度連續(xù)梁。采用邁達(dá)斯有限元軟件建立上述5跨等跨度連續(xù)梁三維有限元模型，如圖3所示(模型單元數(shù)為916 929個(gè))。其中，混凝土采用實(shí)體單元模擬，鋼筋采用植入式桁架模擬。

2 截面削弱對(duì)混凝土梁變形和受力影響分析

為了分析中穿H型鋼混凝土冠梁中截面削弱對(duì)其受力變形的影響，按照1.2的方法建立實(shí)體混凝土冠梁的有限元模型(模型單元數(shù)為972 666個(gè))。該模型與圖3的區(qū)別僅在于：該模型是實(shí)體的，而圖1模型中存在H型鋼形狀的截面削弱處。其局部對(duì)比圖如圖4所示。

(a)中穿H型鋼模型 (b)實(shí)體模型圖4 中穿H型鋼模型與實(shí)體模型的局部不同對(duì)比圖

圖5 跨中Z方向位移

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖6 Z方向位移云圖

2.1 位移分析

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下各跨跨中Z方向(與豎向荷載方向平行)的位移如圖5～圖6所示。限于篇幅僅列出兩種冠梁中間跨Z方向的位移云圖(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)如圖7所示。由圖5～圖7可知：

①兩種冠梁跨中Z方向位移呈現(xiàn)，邊跨跨中大，中間各跨跨中小的規(guī)律。

②兩種冠梁中間各跨跨中位移近似相等，邊跨跨中位移比中間的約大3.2%。

③中穿H型鋼混凝土冠梁各跨跨中的位移比實(shí)體混凝土冠梁對(duì)應(yīng)跨跨中的位移約大51%。

④在同一跨Z方向位移，兩種冠梁均呈現(xiàn)中間大，兩端小的規(guī)律。

⑤中穿H型鋼混凝土冠梁中的H型鋼空洞出現(xiàn)明顯的變形，且越靠近跨中變形越明顯。這是由于H型鋼空洞截面的存在，使得中穿H型鋼混凝土冠梁內(nèi)部產(chǎn)生明顯的相對(duì)位移，而在跨中處相對(duì)位移幾乎為零。而實(shí)體混凝土冠梁中的沒有明顯的相對(duì)位移。

2.2 混凝土應(yīng)力分析

(1)X方向應(yīng)力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下中間跨X方向的應(yīng)力云圖(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)如圖7所示。由圖7可知：

①中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁的最大拉壓應(yīng)力均在梁頂(底)。由于H型鋼形狀削弱截面的存在，使得中穿H型鋼混凝土冠梁X方向應(yīng)力分布比實(shí)體混凝土冠梁復(fù)雜。

②中穿H型鋼混凝土冠梁在削弱截面的翼緣處存在應(yīng)力集中，且越靠近支座應(yīng)力集中越明顯。而實(shí)體混凝土冠梁在相應(yīng)位置應(yīng)力集中不明顯。

③總體上同一截面上，中穿H型鋼混凝土冠梁的最大拉壓應(yīng)力均大于實(shí)體混凝土。中穿H型鋼混凝土冠梁最大拉應(yīng)力比實(shí)體混凝土的大25.7%～29.7%，最大壓應(yīng)力比實(shí)體混凝土的大8.1%～40.1%。同時(shí)，中穿H型鋼混凝土冠梁沿梁高的應(yīng)力分布呈兩端大、中間小的規(guī)律，近似為“s”分布。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖7 X方向應(yīng)力云圖

(2)Z方向應(yīng)力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下中間跨Z方向應(yīng)力如圖8所示(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)，通過對(duì)比、分析圖8中的(a)和(b)可知：

①中穿H型鋼混凝土冠梁由于H型鋼形狀削弱截面的存在，使其在H型鋼削弱截面翼緣端部處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，同時(shí)使其應(yīng)力分布規(guī)律比實(shí)體混凝土更為復(fù)雜。

②中穿H型鋼混凝土冠梁翼緣端部處的應(yīng)力集中越靠近支座越明顯，而在跨中處不明顯。在支座邊緣處的下部翼緣端部拉應(yīng)力達(dá)到最大為1.64MPa，而實(shí)體混凝土冠梁對(duì)應(yīng)區(qū)域的最大拉應(yīng)力僅為0.15MPa。

③中穿H型鋼混凝土冠梁支座處應(yīng)力集中比實(shí)體混凝土冠梁明顯。前者最大壓應(yīng)力為1.84MPa，后者為1.69MPa。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖8 Z方向應(yīng)力

(3)mises應(yīng)力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下mises應(yīng)力如圖9所示(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)。通過對(duì)比、分析圖8中的(a)和(b)可知：

①兩種冠梁mises應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在支座及其邊緣區(qū)域，且中穿H型鋼混凝土冠梁該區(qū)域的數(shù)值比實(shí)體混凝土大。

②兩種冠梁mises應(yīng)力最大值均在支座處，且中穿H型鋼的(3.33MPa)比混凝土(3.12MPa)大。

③中穿H型鋼混凝土冠梁mises應(yīng)力沿總體呈現(xiàn)梁頂和梁底大，梁中小的規(guī)律，且在支座及其邊緣處，該規(guī)律越明顯。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖9 mises應(yīng)力

2.3 鋼筋應(yīng)力分析

(1)縱筋應(yīng)力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下縱筋應(yīng)力如圖10所示(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)，各排(從梁頂算起)縱向鋼筋應(yīng)力如表1所示。由圖10和表1可知：

表1 縱向鋼筋最大應(yīng)力(MPa)

①兩種冠梁縱筋應(yīng)力分布規(guī)律相似。梁端部?jī)膳诺匿摻顟?yīng)力比中間兩排大；支座處的鋼筋應(yīng)力比跨中大。

②中穿H型鋼混凝土冠梁的縱筋發(fā)揮強(qiáng)度比實(shí)體混凝土的大。

(2)箍筋應(yīng)力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實(shí)體混凝土冠梁在荷載作用下Z方向箍筋應(yīng)力如圖11所示(圖中同一顏色表示相同的數(shù)值)。通過對(duì)比、分析圖11中的(a)和(b)可知：

①實(shí)體混凝土冠梁箍筋應(yīng)力在支座處均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力(2.21MPa)在支座處的下部箍筋處，最大拉應(yīng)力(1.39MPa)在跨中的上部箍筋和支座邊緣處的下部箍筋處。而穿H型鋼混凝土冠梁最大箍筋應(yīng)力在支座邊緣處H型鋼截面削弱靠近支座側(cè)(頂部壓應(yīng)力為3.06MPa，底部拉應(yīng)力為3.37MPa)。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖10 縱筋應(yīng)力

②實(shí)體混凝土冠梁的箍筋應(yīng)力在支座邊緣處下部箍筋軸向應(yīng)力立即變?yōu)槔瓚?yīng)力(且接近最大值)，而上部仍然為壓應(yīng)力。該拉應(yīng)力值沿跨長(zhǎng)方向逐漸減小，在約1/4跨長(zhǎng)處變?yōu)閴簯?yīng)力。該壓應(yīng)力沿跨長(zhǎng)方向逐漸增加，約在跨中處達(dá)到最大值。上部箍筋軸向應(yīng)力由支座邊緣處的壓應(yīng)力沿跨長(zhǎng)方向逐漸減小，在約1/4跨長(zhǎng)處變?yōu)槔瓚?yīng)力。該拉應(yīng)力沿跨長(zhǎng)方向逐漸增加，約在跨中處達(dá)到最大值。而中穿H型鋼混凝土冠梁由于H型鋼削弱截面的存在，使得箍筋應(yīng)力分布規(guī)律變得極其復(fù)雜。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實(shí)體混凝土冠梁圖11 箍筋應(yīng)力

3 結(jié)論

中穿H型鋼混凝土冠梁不能簡(jiǎn)單地參照實(shí)體混凝冠梁，采用理正工具箱等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過邁達(dá)斯軟件建立的模型對(duì)比分析可知：

(1)中穿H型鋼混凝土冠梁的變形比實(shí)體混凝冠梁大，且內(nèi)部存在相對(duì)位移。

(2)中穿H型鋼混凝土冠梁鋼筋及混凝土的應(yīng)力總體上均大于實(shí)體混凝土冠梁，且其分布形式比實(shí)體混凝土更為復(fù)雜。

[1] 陳茂德,李鐵軍.SMW工法及H型鋼內(nèi)支撐在武漢某深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ),2001,15(1):28-32.

[2] 胡強(qiáng),顧建華,朱大宇,等.SMW工法圍護(hù)結(jié)構(gòu)+斜撐體系在基坑工程中的應(yīng)用[J].建筑施工,2005(9):15-17.

[3] 周樂敏.SMW工法圍護(hù)與鋼、混凝土混合支撐體系在大型深基坑施工中的應(yīng)用[J].建筑施工,2008(2):91-94.

[4] 張忠苗,趙玉勃,吳世明,等.過江隧道深基坑中SMW工法加鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(6):1270-1278.

[5] 李燦峰,李鵬.復(fù)雜環(huán)境下圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)合SMW工法應(yīng)用技術(shù)[J].施工技術(shù),2012(7):41-43.

[6] 林希鶴.SMW工法樁與內(nèi)支撐支護(hù)在復(fù)雜環(huán)境深基坑工程中的應(yīng)用[J].福建建筑,2013,182(8):75-78.

[7] 周盛哲.內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)中腰梁的受力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣州：廣州大學(xué),2016.

[8] 朱小青,陳代海,陳淮.先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁橋全過程力學(xué)行為及極限承載力分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016(1):89-95.

Study on the influence of section weakening of reinforced concrete crown top beam through H steel

HUANGZhibo1LINQi2ZHENGChunting3

(1.College of Jinshan, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002; 2.College of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118； 3.Fujian Jianzhuan geotechnical engeering co.ltd, Fuzhou 350002)

Study on the section weaked by through H steel that cause the influence of forced deformation of concrete top beam. It have the important meaning ,which can reveal the stress and deformation characteristics of section weakening top beam and improve the design method and theory .By using Midas finite element software to establish the model of the simply supported top beam through H steels, some problems of the design process were analyzed. The results show that the displacement and stress of the H steel reinforced concrete crown beam are larger than that of the concrete crown beam under load; the stress distribution of the H steel reinforced concrete crown beam and concrete crown beam is obviously different. Therefore, it is necessary to consider the weakening effect of H steel in concrete design.

H Steel; Section weakening; top beam; Midas

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15641)；福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201614046022)。

黃志波(1988- )，男，講師。

E-mail:523052465@qq.com

2017-03-08

TU4

A

1004-6135(2017)08-0076-05