部分充填式鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁滑移分析

蔣越，莫時(shí)旭，2，鄭艷，2，韓濤

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引 言

鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁是鋼箱梁與混凝土翼板通過(guò)剪力連接件連接在一起，并協(xié)同工作的一種新型梁，可以充分發(fā)揮鋼梁受拉性能和混凝土板受壓強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，其整體受力性能要明顯優(yōu)于二者受力性能的簡(jiǎn)單疊加。鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁承載力高、截面高度小、整體穩(wěn)定性好，因此，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用與研究。在荷載作用下，鋼箱梁與混凝土板打破整體的變形協(xié)調(diào)限制，產(chǎn)生軸向剪力，從而使組合梁存在相對(duì)滑移。

鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁界面與連接件的分析屬于接觸非線性問(wèn)題，是研究組合連續(xù)梁相對(duì)滑移的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)此進(jìn)行了大量研究。A Morassi等[1]通過(guò)4根鋼-混凝土組合的自振模態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，組合梁的自振特性與抗剪連接件的損傷之間有極大的關(guān)系；CHEN S M[2]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)組合梁的滑移與材料有關(guān)，進(jìn)一步編寫了連續(xù)組合梁材料非線性的程序；J.G.Ollgaard等[3]對(duì)栓釘?shù)目辜舫休d能力進(jìn)行了深入研究，建立的栓釘抗剪連接模型被各國(guó)規(guī)范采用；石衛(wèi)華等[4]對(duì)栓釘抗剪連接件的承載能力進(jìn)行了可靠度分析，并提出栓釘抗剪連接承載能力的修正公式；楊勇等[5]分析了端部混凝土對(duì)單孔連接件極限承載力的貢獻(xiàn)，并提出連接件抗剪承載能力的計(jì)算模型；王景全等[6]通過(guò)簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁的靜力加載試驗(yàn)，得出了截面滑移對(duì)組合梁的力學(xué)性能的影響。

目前研究中對(duì)栓釘?shù)目辜暨B接度和布置沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了3片不同抗剪連接度試驗(yàn)組合梁進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)利用ANSYS建模進(jìn)行分析。探討不同抗剪連接度對(duì)部分充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁的極限承載力、撓度、滑移的影響，并給出適合于部分充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁的最佳抗剪連接度和栓釘布置方式。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)梁參數(shù)

設(shè)計(jì)了3根充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁試件。試驗(yàn)梁總長(zhǎng)L=6 400 mm，共有兩跨，每跨3 000 mm，梁高420 mm；混凝土翼板厚為120 mm，寬1 000 mm；鋼箱梁采用Q235鋼板焊接而成，腹板高300 mm，頂板和底板寬度均為220 mm，厚10 mm?；炷亮W(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1，鋼材力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。在負(fù)彎矩區(qū)部分充填核心混凝土，充填率為50%，組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橫截面如圖1所示。鋼箱梁與混凝土板之間采用13 mm的4.8級(jí)普通栓釘連接，抗剪連接度通過(guò)栓釘間距大小調(diào)節(jié)。栓釘布置參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

圖1 組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橫截面圖

Fig.1 Section diagram of negative moment zone of the composite beam

表3 栓釘布置參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括反力架、液壓千斤頂、應(yīng)變采集系統(tǒng)、壓力傳感器和顯示千分表。采用靜力加載方式，試驗(yàn)裝置如圖2所示。利用反力架通過(guò)梁跨中位置的2個(gè)液壓千斤頂兩點(diǎn)對(duì)稱施加在試驗(yàn)梁上。施加力大小由2個(gè)壓力傳感器顯示。應(yīng)變采集系統(tǒng)按荷載逐級(jí)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)變箱的補(bǔ)償片與同尺寸的鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁連接，利用電橋加減特性使2片試驗(yàn)梁進(jìn)行相互溫度補(bǔ)償，從而減小試驗(yàn)誤差。在試驗(yàn)梁的支座L/4，L/2，(3L)/4截面混凝土翼板與鋼箱界面處分別安置千分表，用于測(cè)量翼板、支座位移與鋼箱的相對(duì)滑移。

圖2 加載裝置

1.3 結(jié)果與分析

1.3.1 荷載-撓度曲線

為考慮不同抗剪連接度對(duì)部分充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁變形能力的影響，選取試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比研究，如圖3所示[10]。3片試驗(yàn)梁PFSCB1、PFSCB2與PFSC-B3抗剪連接度分別為1.0，0.75，0.5。開(kāi)始加載時(shí)，連續(xù)組合梁翼板與鋼箱梁交界面之間產(chǎn)生的滑移量很小，連續(xù)組合梁撓度值大小可以忽略不計(jì)，3片試驗(yàn)梁的撓度隨荷載變化趨勢(shì)基本接近，均為線性變化，此時(shí)組合梁處于彈性階段。荷載繼續(xù)增大時(shí)，組合梁受到的剪力較大，鋼箱梁核心混凝土出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，鋼箱發(fā)生局部屈曲，剪力連接度較低的試驗(yàn)梁產(chǎn)生的滑移量開(kāi)始增大，從而使連續(xù)組合梁截面曲率增大，呈非線性，組合梁進(jìn)入彈塑性階段。當(dāng)荷載繼續(xù)增大接近極限荷載時(shí)，試驗(yàn)梁PFSCB3撓度驟增，這是因?yàn)榫植壳鷮?dǎo)致剛度降低，同時(shí)組合梁受到的剪力過(guò)大導(dǎo)致栓釘剪斷，因此，試驗(yàn)梁的承載能力受界面滑移影響較大，試驗(yàn)梁PFSCB1為高抗剪連接，受到的影響較小。組合梁在進(jìn)入彈塑性階段以后，撓度發(fā)展很快，增長(zhǎng)幅度約為彈性階段的2倍，組合梁展現(xiàn)出相當(dāng)好的延性。

圖3 試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度關(guān)系曲線

1.3.2 荷載-滑移關(guān)系曲線

連續(xù)組合梁中混凝土板和鋼箱梁通過(guò)栓釘抗剪連接件的作用形成一個(gè)整體，協(xié)同工作，受到連續(xù)組合梁傳遞過(guò)來(lái)的水平剪力作用時(shí)，栓釘會(huì)發(fā)生形變，使得鋼箱梁與翼板交界面之間出現(xiàn)相對(duì)滑移[11]。相對(duì)滑移的出現(xiàn)降低了試驗(yàn)梁的剛度，使其曲率和撓度變大，影響整體受力性能，因此，為研究部分充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁的滑移變化情況，繪制荷載-滑移曲線圖和試驗(yàn)梁延梁縱向滑移分布圖，如圖4所示。從圖4可以看出，開(kāi)始加載時(shí)，3片連續(xù)試驗(yàn)梁的滑移值均較小，界面滑移值曲線基本呈線性變化，反映出彈性階段試驗(yàn)梁中混凝土板和鋼箱梁的整體工作性能良好。隨著荷載不斷增大，試驗(yàn)梁剪力增大，鋼梁與翼板自然黏結(jié)力破壞，栓釘承擔(dān)交界面剪力作用而發(fā)生形變，相比試驗(yàn)梁PFSCB2與PFSCB1，試驗(yàn)梁PFSCB3抗剪連接度較小，滑移值增長(zhǎng)較快。當(dāng)連續(xù)組合梁進(jìn)入彈塑性工作階段，鋼箱承受較大彎矩、剪力而出現(xiàn)局部屈曲，撓度增大明顯，交界面之間滑移曲線呈非線性變化。隨著荷載持續(xù)增加，試驗(yàn)梁PFSCB3的滑移值急劇增加，曲線開(kāi)始變平，抗剪連接度較小的組合梁中栓釘開(kāi)始被剪斷。從試驗(yàn)過(guò)程可以看出，塑性破壞階段時(shí)試驗(yàn)梁PFSCB2與PFSCB1延性較好，因此，在較高剪力連接度下，部分抗剪設(shè)計(jì)對(duì)連續(xù)組合梁的受力性能和抗彎剛度影響不是很大。

圖4 試驗(yàn)梁荷載-跨中相對(duì)滑移曲線

2 有限元模型建立與求解

2.1 單元類型選擇

運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁進(jìn)行建模，有限元模型如圖5所示。鋼箱梁與混凝土均采用三維實(shí)體單元，鋼箱梁采用Solid45模擬；混凝土采用Solid65單元模擬，與Solid45相比，增加了材料非線性的處理，能有效模擬出混凝土的開(kāi)裂、壓碎、塑性變形和徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形和蠕變；鋼箱內(nèi)部分填充的混凝土與鋼箱的連接采用Link10單元模擬，此單元能有效模擬軸向受壓和受拉的全過(guò)程。栓釘采用combin39單元，直接在鋼箱梁和混凝土的兩個(gè)重合點(diǎn)上建立彈簧節(jié)點(diǎn)，然后定義其荷載-位移曲線。本文主要研究鋼梁與混凝土的滑移，建模時(shí)只需模擬組合梁的栓釘作用，鋼箱梁與混凝土板的黏結(jié)作用很小，不予考慮。

圖5 鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁有限元模型

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

2.2.1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

該單元材料的非線性關(guān)系主要通過(guò)定義混凝土單軸受拉、受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中定義的混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系確定本文的本構(gòu)關(guān)系，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)拋物線形的上升、下降段，如圖6所示，上升段計(jì)算公式為

(1)

下降段計(jì)算公式為

(2)

式中：ε為混凝土軸向應(yīng)變；ε0為混凝土最小軸向應(yīng)變，取0.002；εu為混凝土最大軸向應(yīng)變，取0.003 5；σ為混凝土應(yīng)力，MPa；σ0為混凝土的峰值應(yīng)力，σ0=0.85R，R為混凝土立方抗壓強(qiáng)度，MPa。

圖6 混凝土材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼箱內(nèi)充填混凝土后，混凝土的受力情況與方鋼管混凝土構(gòu)件類似，在文獻(xiàn)[8]提出的方鋼管核心混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基礎(chǔ)上引入配鋼指數(shù)λ進(jìn)行修正，修正后的表達(dá)式為

(3)

式中：θ為界限底角，(°)；fck為素混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；As為鋼箱截面面積，mm2；Ac為鋼箱內(nèi)核心混凝土截面面積，mm2；fsy為鋼箱的抗壓強(qiáng)度，MPa；fcy為鋼箱內(nèi)核心混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2.2 鋼材本構(gòu)關(guān)系

連續(xù)梁中鋼箱板材的SHELL181單元和鋼筋的LINK8單元中有關(guān)鋼材的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等數(shù)值通過(guò)實(shí)常數(shù)輸入。采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]定義其本構(gòu)關(guān)系，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，其應(yīng)力-應(yīng)變公式為

(4)

式中：σs為鋼材應(yīng)力，MPa；fy為屈服強(qiáng)度，MPa；ε為鋼材軸向應(yīng)變；εy為鋼材進(jìn)入屈服階段的軸向應(yīng)變；εt為鋼材進(jìn)入強(qiáng)化階段的軸向應(yīng)變,取0.002 8；Es為鋼材的彈性模量，MPa；E′為鋼材強(qiáng)化階段的彈性模量，E′=0.01Es.

2.2.3 栓釘本構(gòu)關(guān)系

栓釘將連續(xù)組合梁翼板受到的縱向剪力傳遞給鋼梁，同時(shí)抵抗2種材料在受力過(guò)程中的變形從而出現(xiàn)掀起現(xiàn)象。根據(jù)栓釘試驗(yàn)結(jié)果,選取荷載-位移曲線作為其本構(gòu)模型，F(xiàn)-D曲線如圖8所示,其中F為荷載，D為位移。

圖7 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 栓釘荷載-位移曲線

2.3 模型求解

由于鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁模型的復(fù)雜性，先建立鋼箱、混凝土翼板、鋼筋等部分單元，然后將各部分組合為整體模型[12-13]。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建模時(shí)鋼箱-混凝土連續(xù)組合梁(x，y)方向固定，組合梁中部(x，y，z)方向固定。為了避免支座和加載點(diǎn)因應(yīng)力集中使試驗(yàn)梁突然破壞導(dǎo)致計(jì)算不收斂，在加載點(diǎn)設(shè)置墊塊與翼板連接，在支座處設(shè)置墊塊與底板連接。為確保計(jì)算結(jié)果的正確性，采用合理的收斂準(zhǔn)則。對(duì)于鋼箱-混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土材料的性質(zhì)比金屬材料復(fù)雜，因而在鋼箱-混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析中，混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則的建立至關(guān)重要。本文采用Willan-warnke原則，張開(kāi)裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt影響比較大，此模型βt=0.3，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc=0.95?？紤]開(kāi)裂后慢慢釋放拉應(yīng)力，以助吸收，拉應(yīng)力釋放系數(shù)Tc=1。

3 結(jié)果與分析

3.1 滑移與撓度分析

為研究連續(xù)組合梁的實(shí)際受力性能和變形情況，繪制縱向滑移分布圖和荷載-跨中撓度圖，如圖9～10所示。

從圖9可以看出，在加載過(guò)程中，以跨中為對(duì)稱原點(diǎn)，向邊跨延伸同等距離的滑移值呈反對(duì)稱關(guān)系。在距跨中距離-1.5～1.5 mm的斜率很大，滑移增量較大，隨著不斷向兩跨延伸，離梁跨邊緣越近，滑移增量上升趨勢(shì)越平緩，斜率不斷減小,說(shuō)明負(fù)彎矩區(qū)的抗剪連接度對(duì)鋼箱-混凝土連續(xù)組合梁影響比較大。從圖10可以看出，試驗(yàn)值比有限元模擬結(jié)果大，且有限元模擬曲線比試驗(yàn)值圓滑，這是因?yàn)樵囼?yàn)梁在澆筑凝結(jié)時(shí)溫度引起了收縮，混凝土板產(chǎn)生小裂縫。對(duì)于這些初始缺陷很難在有限元模擬中進(jìn)行添加，因此，模擬結(jié)果精度低于試驗(yàn)值。經(jīng)有限元曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比可知，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)值相差不大，此模型能真實(shí)反映出連續(xù)組合梁的實(shí)際受力性能和變形情況。

圖9 縱向滑移分布曲線

圖10 荷載-跨中撓度曲線

3.2 局部屈曲分析

為研究試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)組合梁試件出現(xiàn)腹板局部屈曲現(xiàn)象，繪制了1/2試驗(yàn)組合梁腹板局部屈曲云圖與有限元圖形對(duì)比分析。有限元組合梁腹板局部屈曲云圖和試驗(yàn)組合梁腹板局部屈曲云圖如圖11～12所示。從圖11～12中可以看出，組合梁腹板在塑性區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了局部屈曲，形成斜向屈曲波，該區(qū)域位于最大正彎矩至反彎點(diǎn)區(qū)間內(nèi)，以剪切屈曲為主。負(fù)彎矩區(qū)未出現(xiàn)局部屈曲，說(shuō)明負(fù)彎矩區(qū)下箱室充填混凝土可以有效分擔(dān)鋼箱腹板承受的壓應(yīng)力，減小屈曲的可能性,并限制了鋼箱腹板的內(nèi)屈。

圖11 有限元組合梁腹板局部屈曲云圖

圖12 試驗(yàn)組合梁腹板局部屈曲云圖

3.3 抗剪連接度參數(shù)分析

通過(guò)本文建立的有限元模型模擬了7片不同抗剪連接度的部分充填式鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁[14-17]。模型編號(hào)SC1～SC7的抗剪連接度分別為1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4，有限元模型梁荷載-跨中相對(duì)滑移圖如圖13所示，從圖13中7條曲線對(duì)比可以看出，試驗(yàn)梁在受力過(guò)程中，從彈性階段到彈塑性階段延性較好，滑移值沒(méi)有出現(xiàn)較大突變，塑性階段滑移值驟增，交界面的塑性鉸慢慢形成，使連續(xù)組合梁交界面剪力出現(xiàn)重分布?？辜暨B接度大小在彈性工作狀態(tài)反映不是很明顯，抗剪連接度較大時(shí)，組合梁整體性好，荷載-滑移曲線較為均勻，在塑性階段的剛度和變形能力更好。有限元模型梁抗剪連接度-最大滑移如圖14所示。當(dāng)抗剪連接度從0.4增加到1.6時(shí)，界面最大滑移量從4.25 mm減小到1.78 mm，說(shuō)明交界面滑移隨著抗剪連接度增大而減小?？辜暨B接度在0.4～1.0時(shí)，組合梁的最大滑移值急劇增長(zhǎng)，增量值為2.15 mm；在抗剪連接度在 1.0～1.6時(shí)，組合梁的最大滑移值增長(zhǎng)緩慢，增量值為0.32 mm。抗剪連接度對(duì)組合梁的延性和承載能力有一定影響，隨著抗剪連接度增加，最大滑移量減少，抗剪連接度超過(guò)1.0后滑移量改變不明顯，說(shuō)明栓釘在抗剪連接度為0.4～1.0時(shí)抗剪效果發(fā)揮比較充分。

圖13 有限元模型梁荷載-跨中相對(duì)滑移關(guān)系曲線

圖14 有限元模型梁抗剪連接度-最大滑移關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，部分抗剪連接組合梁延性較好?？辜暨B接度較低時(shí)，截面滑移對(duì)鋼箱-混凝土連續(xù)組合梁的剛度和承載能力的影響較大，高抗剪連接度對(duì)其影響較小。

(2)經(jīng)有限元分析可知，該模型能準(zhǔn)確地模擬部分充填式窄幅鋼箱-混凝土組合連續(xù)梁的受力性能。組合梁負(fù)彎矩區(qū)的抗剪連接度對(duì)鋼箱-混凝土連續(xù)組合梁影響比較大，正彎矩區(qū)可以合理減少栓釘?shù)牟贾脭?shù)量，增大布置間距，經(jīng)濟(jì)效益更佳。

(3)鋼箱-混凝土連續(xù)組合梁的界面相對(duì)滑移與抗剪連接度有關(guān)，抗剪連接度越大，滑移值越小，組合梁的抗彎和抗剪承載力越高。在滿足剛度和承載力的情況下，可在0.4～1.0內(nèi)適當(dāng)調(diào)整抗剪連接度，使栓釘連接效果最佳。