內(nèi)置H 型鋼預(yù)應(yīng)力混凝土組合大梁有限元分析

徐 強(qiáng)

(深圳中鐵二局工程有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

伴隨著建筑工程市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，混凝土受壓和鋼筋受拉的獨(dú)特材料力學(xué)性能(鋼筋的力學(xué)性能利于降低混凝土截面過(guò)大而導(dǎo)致的自身裂縫，混凝土的力學(xué)性能利于降低鋼筋受腐、防火等要求)，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于房建、地鐵、市政等工程，另鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)不同使用功能，不同結(jié)構(gòu)型式共分為組合框架柱、組合梁、組合樓板以及其他組合節(jié)點(diǎn)類型。

與此同時(shí)，鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用，衍生出一種新的內(nèi)置H型鋼預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它在鋼筋混凝土的基礎(chǔ)內(nèi)增設(shè)一道H型鋼，在鋼筋混凝土良好的受力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增大其承載力和良好的抗震能力，使其具備高強(qiáng)度、高剛度、抗變形能力強(qiáng)、耐腐蝕、抗高溫等諸多優(yōu)勢(shì)，大大提高了框架梁跨度和截面尺寸。特別是超高層建筑中應(yīng)用極為廣泛。本文組合梁進(jìn)行三維非線性有限元分析，研究組合大梁受力過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化特點(diǎn)、傳力機(jī)理，試圖為該構(gòu)件設(shè)計(jì)和承載力試驗(yàn)提供參考。

1 試件概況

為了考察型鋼骨架和預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼筋混凝土大梁受力性能的影響，分析時(shí)設(shè)計(jì)了L1，L2，L3共3個(gè)試件。其中L1為普通鋼筋混凝土大梁，L2為內(nèi)置H型鋼的鋼筋混凝土大梁，L3為內(nèi)置H型鋼并施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土大梁。上述各構(gòu)件中，混凝土等級(jí)均為C35，試件中的縱向受力鋼筋、腰筋均采用HRB335級(jí)鋼筋，箍筋采用HPB235級(jí)鋼筋，鋼構(gòu)架采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1860級(jí)高效低松弛鋼絞線，預(yù)估有效預(yù)應(yīng)力值為1 118 N/mm2。各試件詳細(xì)的幾何尺寸及配筋方式如表1和圖1所示。

表1 內(nèi)置H型鋼鋼骨預(yù)應(yīng)力混凝土大梁配筋及參數(shù)設(shè)置表

2 模型建立

2.1 Abaqus預(yù)應(yīng)力模擬

在通用有限元軟件Abaqus中，通常模擬對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法主要有:降溫法、初始應(yīng)力法以及rebar施加初始應(yīng)力法。

圖1 試件L1~L3模型詳圖

2.1.1 降溫法

降溫法其工作機(jī)理就是通過(guò)設(shè)置材料的線膨脹系數(shù)，并對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行降溫，從而達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的目的，所施加的溫度荷載可以通過(guò)下式求得:

其中，T為施加的溫度;EP為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量;α為材料的線膨脹系數(shù);A為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的面積;NP為預(yù)應(yīng)力施加值。

2.1.2 初始應(yīng)力法

初始應(yīng)力法與降溫法相類似，只是形式上有所不同，作用的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)是一致的。初始應(yīng)力法即在預(yù)應(yīng)力鋼筋上施加初始預(yù)應(yīng)力。直接用*Initialconditions，type=stress可以直接模擬先張法。

2.1.3 rebar施加初始應(yīng)力法

rebar施加初始應(yīng)力法與上述兩種方法不同，鋼筋不是由桿單元模擬，而是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)具有鋼筋屬性的幾何面，網(wǎng)格劃分時(shí)選取幾何面的單元種類為surface，然后通過(guò)關(guān)鍵詞Initial conditions及prestress hold進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

降溫法操作簡(jiǎn)便，故本文采用該方法進(jìn)行模擬。由于型鋼表面設(shè)置了很多抗剪栓釘，型鋼與混凝土的滑移較小，所以本文直接將普通鋼筋、型鋼骨架以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線用embedded嵌入混凝土中，不考慮與混凝土之間的粘結(jié)滑移。

2.2 材料本構(gòu)選取

圖2，圖3中，fpu—預(yù)應(yīng)力筋極限抗拉強(qiáng)度;εpu—極限抗拉應(yīng)變;f0.2—預(yù)應(yīng)力筋條件屈服強(qiáng)度;ε0.2—條件屈服應(yīng)變;fe—預(yù)應(yīng)力筋彈性應(yīng)力極限;εe—彈性應(yīng)變極限;fy—非預(yù)應(yīng)力筋的屈服強(qiáng)度;εy—屈服應(yīng)變。

普通鋼筋及型鋼采用雙折線模型，不考慮鋼材的強(qiáng)化。體外預(yù)應(yīng)力筋采用三折線的本構(gòu)模型，見(jiàn)圖2，圖3。

圖2 普通鋼筋本構(gòu)模型

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)模型

混凝土采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的本構(gòu)模型。混凝土的泊松比 μ取 0.2，C35混凝土抗壓強(qiáng)度為33.8 N/mm2，彈性模量按 Ec=3.15 ×104N/mm2取值。

分析時(shí)取HRB235鋼筋及Q235鋼材屈服強(qiáng)度為235 N/mm2，HPB335鋼材屈服強(qiáng)度為335 N/mm2。

2.3 單元類型選取與劃分

混凝土部分采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元C3D8R，型鋼采用4節(jié)點(diǎn)殼單元S4R，普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維空間桁架單元T3D2。分析時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?見(jiàn)圖4)。

圖4 鋼—混凝土組合梁Abaqus模型圖

2.4 邊界條件及加載方式

約束兩個(gè)角支座Y，Z方向線位移，并約束其中一段的X方向線位移。在梁跨中左右側(cè)0.8 m位置處施加集中荷載，采用位移加載模式(U= －0.03 m)。

3 Abaqus模型結(jié)果分析

以下通過(guò)模型L3的計(jì)算結(jié)果為例分析內(nèi)置鋼骨預(yù)應(yīng)力混凝土大梁的受力性能。

由圖5可知，該鋼—混凝土組合大梁在對(duì)稱荷載作用下變形較為對(duì)稱，且支座與加載點(diǎn)間相對(duì)變形較大，兩加載點(diǎn)間梁剪力為0，相鄰截面間構(gòu)件相對(duì)變形不大。

3.1 混凝土大梁應(yīng)力分析

在梁頂對(duì)稱豎向荷載作用下，混凝土應(yīng)力分布左右對(duì)稱，且在支座與兩加載墊塊之間的區(qū)域應(yīng)力最大，而其他位置處的應(yīng)力較小。由圖6可見(jiàn)，大梁混凝土壓應(yīng)力分布呈“八”字形，即加載點(diǎn)和支座間應(yīng)力較大，若構(gòu)件中鋼骨架位置按此形式布置，則更為合理。這也為本內(nèi)置H型鋼鋼骨預(yù)應(yīng)力混凝土大梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖5 荷載4 839 kN（位移30 mm）時(shí)鋼—混凝土組合大梁變形圖

圖6 荷載4 839 kN（位移30 mm）時(shí)混凝土壓應(yīng)力云圖

同時(shí)，兩加載點(diǎn)間混凝土壓應(yīng)力較大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，梁頂跨中混凝土部分將被壓碎。

3.2 H型鋼骨架應(yīng)力分析

H型鋼骨架可分擔(dān)鋼—混凝土大梁較多內(nèi)力，且荷載作用下，鋼骨應(yīng)力分布較為對(duì)稱均勻，支座與加載點(diǎn)間應(yīng)力較大，局部區(qū)域應(yīng)力值較小，如頂部梁跨中位置(見(jiàn)圖7)。

圖7 荷載4 839 kN（位移30 mm）時(shí)H型鋼應(yīng)力云圖

3.3 普通鋼筋應(yīng)力分析

普通鋼筋應(yīng)力圖如圖8所示，從圖8中可看出荷載作用下普通鋼筋應(yīng)力總體較小，鋼骨架屈服后鋼筋應(yīng)力分布仍基本對(duì)稱，說(shuō)明結(jié)構(gòu)破壞不會(huì)首先出現(xiàn)在構(gòu)件某一側(cè)。

圖8 荷載4 839 kN（位移30 mm）時(shí)普通鋼筋應(yīng)力云圖

3.4 荷載位移曲線對(duì)比

從梁荷載—位移曲線可以看出，該內(nèi)置鋼骨型鋼預(yù)應(yīng)力混凝土大梁具有很好的延性，鋼骨架和預(yù)應(yīng)力的設(shè)置是合理的。

由圖9對(duì)比可知，內(nèi)置型鋼的鋼骨混凝土大梁(L2)最大承載力達(dá)到5 168 kN，而同等截面普通鋼筋混凝土梁(L1)則只有1 348 kN，說(shuō)明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可通過(guò)設(shè)置鋼骨大大提高其承載能力，滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用要求。

由圖10可知，試件L1，L2的屈服荷載幾乎相當(dāng)，這主要是因?yàn)長(zhǎng)1，L2的破壞都是由鋼骨架屈服引起的，故預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)梁的屈服荷載影響較小;但L1的剛度要比L2稍大，體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力可以減小跨中撓度及裂縫的作用。

圖9 構(gòu)件L1和L2荷載位移曲線對(duì)比

圖10 構(gòu)件L2和L3荷載位移曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土+內(nèi)置H型鋼鋼骨架的模式，均有高剛度、高強(qiáng)度、高性能、高承載力、同時(shí)又具備良好的塑性，良好的抗震性能，可避免脆性破壞形態(tài)。本文利用Abaqus軟件對(duì)模型L1～L3鋼筋混凝土大梁進(jìn)行承載能力分析，通過(guò)不同參數(shù)間比較，可得到如下結(jié)論:

1)對(duì)于大跨度或轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中內(nèi)置型鋼骨架，利用剛—混凝土共同受力，可大大提高其承載能力。

2)在構(gòu)件中施加預(yù)應(yīng)力可以減小荷載作用下構(gòu)件撓度，延緩裂縫出現(xiàn)時(shí)間，但對(duì)構(gòu)件承載力幾乎無(wú)任何作用。