基于強度等級的鋼-UHPC組合梁力學性能研究

余瀟

重慶交通大學土木工程學院，中國·重慶 400074

組合梁以其優(yōu)異的力學性能得到十分廣泛的科學研究與理論應用，新型材料的出現(xiàn)也使組合梁出現(xiàn)了更加廣闊的應用前景。鋼-UHPC 組合梁結構是一種集高性能結構與高性能材料于一體的新型結構形式，論文基于混凝土強度等級的變化，采用ansys 有限元分析軟件對不同混凝土強度等級下的組合梁進行性能對比研究。研究表明：混凝土強度等級的提高能提高結構屈服與結構極限的承載能力，也增大了結構極限的跨中撓度，但降低了結構屈服時的跨中撓度。

組合梁；UHPC；強度等級；承載能力；跨中撓度

1 引言

鋼-混凝土組合結構是將鋼與混凝土通過抗剪連接鍵組合而成的新型結構，能有效發(fā)揮鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能。組合結構上世紀末在中國新起，歷經(jīng)二十年的發(fā)展，如今對其力學性能的研究已較為透徹，組合結構也已廣泛的應用于大跨橋梁、高層建筑等重要工程結構中[1]。超高性能混凝土（UHPC）是新世紀以來材料發(fā)展的結晶，具有高強度、高耐久性、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，現(xiàn)如今UHPC 也廣泛的應用于橋梁工程中，目前全世界已建成的UHPC 梁橋有100多座，多以梁橋為主[2]。

中國的許多學者針對普通混凝土組合梁的滑移效應、結構剛度、結構承載力等做了相關研究[3-4]，其橋面板厚、負彎矩區(qū)混凝土易開裂等突出問題成為鋼-混凝土組合梁發(fā)展的制約，將普通混凝土變化為UHPC 后，形成鋼-UHPC 組合梁（以下簡稱UHPC 組合梁），能解決自重大、易開裂等問題，推進了組合結構的創(chuàng)新與發(fā)展。北京交通大學的張彥玲、閻貴平等[5-6]進行了UHPC 組合梁的破壞模式與承載能力的研究，認為UHPC 組合梁承載能力顯著高于普通混凝土組合梁，翼緣板厚度可以減薄15%以上，也可以有效提高負彎矩區(qū)的開裂荷載；福州大學的劉君平針對同等抗彎強度等級下的UHPC 組合梁與普通混凝土組合梁做了試驗研究，得出兩種組合梁破壞模式相近，但UHPC 橋面板厚度可以減少28%，滑移與剪力滯效應均明顯減小[7]。

材料性能是影響結構性能的關鍵因素之一，以往的研究多僅是針對普通混凝土與UHPC 開展的對比研究，但這兩種材料之間有多個強度等級，基于強度等級變化而引起組合梁的性能變化規(guī)律是未知的，故論文基于混凝土材料強度的變化展開組合梁力學性能的研究，可對不同混凝土強度等級下的組合梁設計提供理論參考。

2 研究模型

論文研究的對象為不同強度等級的鋼-混凝土組合梁，混凝土等級有C50、C80、RPC90、RPC120、RPC150 五種。研究以數(shù)值分析為主，采用ansys 通用有限元軟件對不同強度等級下的鋼-混凝土組合梁進行分析。

2.1 截面選取

論文中的數(shù)值模擬選取組合梁中的鋼梁截面為工字型，上部混凝土尺寸為750mm×100mm，截面尺寸如圖1所示。

圖1 組合梁截面圖

2.2 有限元模型

組合梁中的混凝土采用solid65 單元模擬，鋼板采用shell181 單元模擬，混凝土與鋼板上翼緣采用耦合的方式連接，不考慮交界面的滑移，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

論文鋼梁采用等級為Q345，模型中以Q345 的設計強度310MPa 為標準，泊松比0.3，混凝土采用五種強度等級，如表1所示采用文獻8 的研究成果，列出了C50、C80、RPC90、RPC120、RPC150 五種混凝土的強度、峰值壓應力、彈性模量等性質。模型中的鋼材與混凝土均采用理想彈塑性模型。

表1 混凝土的強度、峰值壓應力、彈性模量表

2.3 加載方式

論文采用的加載方式為兩點對稱加載，加載點到端點距離為1500mm，加載點之間距離為1000mm，加載形式如圖3所示。

圖3 加載示意圖

3 結果分析

論文的混凝土模型為理性彈塑性模型，故論文的極限狀態(tài)為混凝土達到極限壓應變，此時刻的加載量即為極限加載量，鋼板下翼緣進入屈服時的加載量為結構屈服加載量。

為方便區(qū)分，五種混凝土強度等級的組合梁編號如表2所示。

表2 混凝土強度等級

對五種混凝土強度等級下的組合梁有限元結果進行分析，可得如圖4所示的荷載-位移關系圖。

此截面的組合梁當采用C50 混凝土時，中和軸位于混凝土與鋼板交界處，隨著混凝土強度等級的提高，塑性中和軸上移。此論文僅針對中和軸位于混凝土截面內的情況，組合梁保持混凝土截面與鋼梁截面均不變。

圖4 荷載-位移關系曲線圖

由圖4可以看出，在加載初期，L1-L5 梁均是處于線彈性范圍，五種強度等級的混凝土的彈性模量差異性不大，且截面相同，故彈性階段的圖像幾乎重合。繼續(xù)加載到一定荷載后，鋼材屈服，進行塑性階段，但此時混凝土尚未被壓碎，故而可以繼續(xù)承載。但由于鋼材進入屈服階段，結構剛度降低，截面的剛度主要由混凝土提供，此時混凝土部分也并非全截面貢獻剛度，僅是受壓部分的混凝土貢獻剛度，故而L1 組合梁塑性階段剛度最大，變形發(fā)展較慢，L5 組合梁塑性階段剛度最小，變形發(fā)展迅速。隨著加載值進一步增大，上部混凝土逐漸被壓碎，結構達到極限狀態(tài)，荷載-位移圖像平行于X 軸。

圖5 加載值-極限抗壓強度關系曲線圖

圖6 鋼板下緣拉應力-加載值關系曲線圖

如圖5和圖6所示可以看出，僅增大上部混凝土強度，能在一定程度上提高鋼梁屈服時的承載力與結構極限承載力，且?guī)缀蹼S著混凝土強度等級呈線性增加，但結構極限承載力的漲幅約為10%，結構屈服承載力增長幅度僅約為2%左右。

圖7 跨中撓度-抗壓強度關系曲線圖

由圖7可以看出，提高混凝土強度，鋼梁屈服時的跨中撓度下降，降低幅度約為10%，結構屈服前處于彈性階段，且混凝土強度等級越高，彈性模量會有一定程度的增大，故L5 組合梁彈性階段截面剛度最大，L1 組合梁最差，因而L5組合梁在結構屈服時的跨中撓度最小，L1 梁最大。

當結構達到極限狀態(tài)時，極限狀態(tài)下的跨中撓度增長幅度約為30%，L5組合梁受壓區(qū)范圍最小，故而截面的剛度最小，因此L5 組合梁極限狀態(tài)時的跨中撓度最大，L1 組合梁極限時的跨中撓度最小。

4 結語

第一，保持組合梁鋼板截面與混凝土截面不變，且中和軸位于混凝土截面內，隨著混凝土強度等級的提高，結構屈服時的承載力與極限承載力均有一定程度的提高，結構極限承載力提高幅度約為10%，結構屈服承載力提高幅度約為2%。

第二，混凝土強度的提高能降低結構屈服時的跨中撓度，降低幅度約為10%，但增大了結構極限狀態(tài)時的跨中撓度，增大幅度約為30%。

第三，此論文僅針對中和軸在混凝土截面內的情況，后續(xù)可以針對相同截面下中和軸位于鋼梁截面內、不同截面的組合梁基于強度等級的性能變化規(guī)律進行研究。