組合截面梁相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁的力學(xué)優(yōu)勢(shì)分析

趙茂桐（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

梁是建筑結(jié)構(gòu)中常用的承載構(gòu)件之一，傳統(tǒng)的截面梁主要采用混凝土或鋼材作為唯一的材料。但隨著工程設(shè)計(jì)要求的不斷提高和新材料的應(yīng)用，組合截面梁作為一種新型結(jié)構(gòu)，由兩種或多種材料組成，逐漸受到了廣泛的關(guān)注。本文旨在對(duì)組合截面梁和傳統(tǒng)截面梁進(jìn)行比較研究，探討在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、受力性能和施工工藝等方面的差異和特點(diǎn)。組合截面梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮不同材料之間的協(xié)同作用和相互影響，以確保梁的整體性和穩(wěn)定性[1]。例如，在鋼筋混凝土組合截面梁中需要考慮鋼材和混凝土之間的粘結(jié)問(wèn)題。組合截面梁將混凝土用于受壓區(qū)域，鋼材用于受拉區(qū)域，這樣可以利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，提高梁的承載能力和剛度[2]。組合截面梁還具有更好的抗震性能和耐久性，這得益于混凝土的優(yōu)良耐久性和鋼材的高強(qiáng)度和剛度[3]。

1 基本參數(shù)

模擬截面為150mm×230mm、梁跨為1500mm 的常規(guī)梁，底部和頂部分別放置16mm 和12mm 的HRB500級(jí)鋼筋，箍筋直徑為8mm，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)截面梁參數(shù)

模擬截面為140mm×220mm、跨度為1500mm 的組合型材梁，采用四角截面30mm×30mm×3mm 的Q235B級(jí)角鋼，用8mm 鋼筋連接，頂部和底部構(gòu)件水平連接，側(cè)面連接成如圖2 所示的45°剪切破壞的桁架形狀，嵌入C30混凝土中。

圖2 組合截面梁參數(shù)

ABAQUS 在土木工程中的應(yīng)用非常廣泛，主要用于模擬和分析各種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和行為，如混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，界面簡(jiǎn)潔，對(duì)用戶友好，可以為工程設(shè)計(jì)和施工提供強(qiáng)有力的分析和預(yù)測(cè)手段。ABAQUS 采用了強(qiáng)大的有限元分析技術(shù)，具有高精度的分析能力，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞壽命等,采用ABAQUS 軟件可對(duì)常規(guī)梁截面和組合梁截面進(jìn)行模擬[4]。所使用的部件由梁和角鋼的實(shí)心擠壓件組成，而鋼筋則使用線性截面?；炷?、低碳鋼和鋼筋所用材料的性能如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)

2 試驗(yàn)分析步驟

2.1 常規(guī)梁和組合梁強(qiáng)度差異

首先，對(duì)常規(guī)梁進(jìn)行分析。在ABAQUS中，輸入梁的幾何參數(shù)和材料屬性，包括梁的長(zhǎng)度、寬度、高度、截面形狀、材料彈性模量、泊松比等。然后，可以通過(guò)施加荷載來(lái)模擬梁的受力情況。ABAQUS 將計(jì)算梁的應(yīng)變和應(yīng)力分布，并根據(jù)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算梁的強(qiáng)度和變形特性。

相比之下，組合梁的分析需要考慮不同材料之間的互補(bǔ)性。在ABAQUS 中，需要輸入不同材料的物理屬性和連接方式。例如，在混凝土-鋼組合梁的分析中，需要輸入混凝土和鋼的材料屬性，以及混凝土和鋼之間的連接方式。然后，可以通過(guò)施加荷載來(lái)模擬組合梁的受力情況。

2.2 荷載撓度曲線

將ABAQUS 輸出的撓度數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 或其他繪圖工具中。然后，使用圖表功能繪制荷載撓度曲線。荷載撓度曲線通常是一個(gè)非線性曲線，其中荷載是橫軸，撓度是縱軸。

在繪制荷載撓度曲線時(shí)，首先，荷載撓度曲線應(yīng)該基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬結(jié)果；其次，梁的幾何形狀和材料屬性應(yīng)該與實(shí)際情況相符；最后，荷載撓度曲線應(yīng)該包括足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便更好地了解梁的變形特性?？偟膩?lái)說(shuō)，繪制荷載撓度曲線可以更好地了解梁的變形特性，并根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化梁的設(shè)計(jì)。

2.3 荷載傳遞機(jī)理

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)遭受外部荷載時(shí)，荷載需要通過(guò)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件傳遞。在這個(gè)過(guò)程中，構(gòu)件的變形會(huì)影響荷載的傳遞機(jī)制。討論在忽略局部應(yīng)變的情況下，荷載是如何通過(guò)傾斜構(gòu)件和水平構(gòu)件上的正常傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)的[5]。

首先，要了解傾斜構(gòu)件和水平構(gòu)件的組成。傾斜構(gòu)件是指在建筑結(jié)構(gòu)中呈傾斜狀態(tài)的構(gòu)件，例如斜撐、斜桿等；水平構(gòu)件是指在建筑結(jié)構(gòu)中水平鋪設(shè)的構(gòu)件，例如橫梁、欄桿等。

需要注意的是，當(dāng)考慮局部應(yīng)變時(shí)，載荷傳遞機(jī)制可能會(huì)發(fā)生變化。局部應(yīng)變是指在構(gòu)件的特定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變。例如，在傾斜構(gòu)件的連接點(diǎn)和水平構(gòu)件的支撐點(diǎn)處可能會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)變。這些局部應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)力傳遞被阻礙，從而影響荷載的傳遞。

2.4 截面比較與混凝土性能參數(shù)

兩個(gè)截面的鋼材截面積如表2 所示，與傳統(tǒng)梁相比，傳統(tǒng)梁的面積較小，但剛度也較低，而組合截面盡管面積較大，但剛度卻高得多。

表2 梁的橫截面積

C30 混凝土的配合比見(jiàn)表3，其力學(xué)性能如表4 所示。混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

表3 混凝土配合比

表4 28d混凝土力學(xué)性能

圖3 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 ABAQUS有限元分析

設(shè)置好相關(guān)的模型和參數(shù)，運(yùn)行ABAQUS 進(jìn)行分析得出應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。如圖4 所示，在單點(diǎn)荷載作用下，集中荷載始終在梁跨中位置產(chǎn)生最大撓度。在相同荷載的作用下，單點(diǎn)荷載產(chǎn)生的撓度大于兩點(diǎn)荷載產(chǎn)生的撓度。

圖4 單點(diǎn)加載的傳統(tǒng)梁

由圖5 可以看出，在相同荷載作用下，傳統(tǒng)梁的撓度比組合梁更大。

圖5 單點(diǎn)加載的撓度曲線

圖6顯示了兩點(diǎn)加載時(shí)組合截面在荷載為500kN時(shí)的撓度。中心顯示出最大撓度，逐漸向支撐方向減小，中間三分之一部分顯示兩點(diǎn)加載情況下的純彎曲區(qū)域。

圖6 兩點(diǎn)加載的組裝截面梁

如圖7所示，通過(guò)兩點(diǎn)荷載對(duì)傳統(tǒng)截面梁和組合截面梁撓度進(jìn)行了比較，相同荷載作用下，傳統(tǒng)截面梁的撓度大于組合截面梁。

圖7 兩點(diǎn)荷載的撓度曲線

均布荷載普遍存在于所有梁中，這是由于板荷載以均勻分布荷載的形式作用在梁上[6]。在這種情況下，如圖8 所示，除了中間產(chǎn)生最大變形的區(qū)域以外，所有區(qū)域都具有清晰且相同的單元大小。

圖8 均布荷載加載的常規(guī)梁

兩個(gè)截面在相同的均布荷載作用下，傳統(tǒng)梁的撓度比組合梁的撓度更大，如圖9所示。

圖9 均布荷載的撓度曲線

截面抗彎剛度通常表示為EI，其中，E 表示材料的彈性模量，I 表示截面的慣性矩，單位通常為m4。截面抗彎剛度EI 越大，表示材料對(duì)彎曲荷載的抵抗能力越強(qiáng)，即材料的抗彎強(qiáng)度越高。截面抗彎剛度EI 是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，可以用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布，從而為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。截面抗彎剛度EI 是評(píng)價(jià)材料性能的重要指標(biāo)之一，可以作為選擇合適材料的參考指標(biāo)。例如，在同樣尺寸的截面中，材料的截面抗彎剛度EI 越大，表示該材料的強(qiáng)度和剛度都越高，更適合于對(duì)抗彎曲要求較高的結(jié)構(gòu)中。表5給出了兩個(gè)截面剛度和橫截面面積之間的比值。

表5 兩個(gè)截面剛度/橫截面面積

4 兩種梁對(duì)比分析

首先，組合截面梁的抗彎性能更好。組合截面梁由混凝土和鋼材組合而成，可以最大限度地發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)?；炷辆哂休^好的抗壓性能，而鋼材具有較好的抗拉性能。組合截面梁可以利用混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，使其抗彎性能更好，能夠承受更大的彎曲荷載，工程實(shí)踐中應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的梁結(jié)構(gòu)。組合截面梁相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在某些情況下，傳統(tǒng)截面梁也可能更為適用。例如，在一些對(duì)梁自重要求較高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)截面梁可能更為合適。

其次，組合截面梁的自重輕。組合截面梁的自重相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁來(lái)說(shuō)更輕。這是由于組合截面梁的混凝土厚度可以減小，同時(shí)鋼材的強(qiáng)度較高，可以采用較小的截面尺寸，從而減小了梁的自重。施工簡(jiǎn)便，組合截面梁的施工過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)便。傳統(tǒng)截面梁需要進(jìn)行混凝土澆筑，需要等待混凝土凝固后才能進(jìn)行下一步工作，而組合截面梁的混凝土板和鋼材梁可以在工廠預(yù)制，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接即可完成梁的安裝。工程中應(yīng)該充分利用組合截面梁的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮組合截面梁的抗彎性能、自重輕等優(yōu)勢(shì)，從而使其在工程實(shí)踐中發(fā)揮最大的作用。

維護(hù)成本方面，組合截面梁的維護(hù)成本相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁來(lái)說(shuō)更低。由于組合截面梁的鋼材部分處于混凝土的內(nèi)部，可以有效地保護(hù)鋼材，減少了鋼材的腐蝕和損壞的可能性，從而減少了維護(hù)成本。應(yīng)該注意組合截面梁的維護(hù)和保養(yǎng)，雖然組合截面梁的維護(hù)成本相對(duì)較低，但在實(shí)際使用過(guò)程中仍需要進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)，以確保其安全和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

組合截面梁相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁在力學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)之一是抗彎承載力更大，這主要是由于組合截面梁采用了混凝土與鋼材的組合，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢(shì)?；炷恋闹饕獌?yōu)點(diǎn)是具有較高的抗壓承載能力，能夠有效抵抗彎曲荷載和沖擊荷載；鋼材的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較高的抗拉強(qiáng)度和剛度，能夠有效增加結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗彎承載能力。在組合截面梁中，混凝土和鋼材相互作用，鋼材通過(guò)與混凝土的粘結(jié)和約束增加了結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗彎承載能力。同時(shí)，混凝土則通過(guò)吸收和分散荷載，保護(hù)鋼材免受損傷，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)截面梁，組合截面梁具有更大的抗彎承載能力，能夠承受更大的彎曲荷載和沖擊荷載，同時(shí)減小截面尺寸和重量，降低了結(jié)構(gòu)成本。