鋼混組合梁結(jié)構(gòu)受力分析與仿真試驗(yàn)研究

劉 洋

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，寧夏 銀川 750000）

隨著我國(guó)路橋建設(shè)得到快速發(fā)展，為城市化進(jìn)程貢獻(xiàn)了突出力量，使出行更便利[1]。在路橋建設(shè)過(guò)程中，梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛。梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接決定了整個(gè)工程項(xiàng)目的品質(zhì)，也對(duì)后續(xù)使用安全和使用效率起決定性因素。在傳統(tǒng)梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)梁和混凝土結(jié)構(gòu)梁是2 種非常常見(jiàn)的形式，都曾經(jīng)在路橋建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[2]。在此基礎(chǔ)上，鋼結(jié)構(gòu)梁和混凝土結(jié)構(gòu)梁在形式上融合，出現(xiàn)組合梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)，鋼混組合梁使用混凝土材料和鋼材，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特殊的連接方式形成組合式的梁結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了2 種基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)[3]。因此，對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)研究，并有針對(duì)性地分析2 種材料不同配置的鋼混組合梁結(jié)構(gòu)的性能，這對(duì)設(shè)計(jì)更合理的鋼混梁結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義，這也是該文研究的出發(fā)點(diǎn)。

1 鋼混組合梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型

鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將2 種結(jié)構(gòu)組合在一起，以達(dá)到更好的性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需求，對(duì)鋼混材料進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)層面的合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。在該設(shè)計(jì)過(guò)程中依托鋼混梁幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，是確保設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵。

1.1 截面換算分析方法

在截面分析和設(shè)計(jì)方法的實(shí)施過(guò)程中，將組合梁中的鋼材和混凝土都假設(shè)為不發(fā)生塑性變形的彈性材料，那么這2 種材料組合以后仍然是彈性體。同時(shí)，忽略連接件的特殊屬性，將其看作梁整體的一部分，并且也都符合彈性體特征。在這樣的假設(shè)基礎(chǔ)上，鋼材和混凝土材料之間可能產(chǎn)生的滑移，也可以忽略不計(jì)。

從大量的工程項(xiàng)目實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，鋼混組合梁的力學(xué)特征和鋼材為主體材料的梁結(jié)構(gòu)更相似。因此，為準(zhǔn)確地進(jìn)行力學(xué)分析，可以將鋼混組合梁的截面換算成鋼材為主體材料的梁截面。換算關(guān)系如公式（1）所示。

式中：ACS為混凝土和鋼材混合后形成組合梁的截面積；AC為混凝土結(jié)構(gòu)梁的截面積；EC為混凝土結(jié)構(gòu)梁的彈性模量；ES為鋼結(jié)構(gòu)梁的彈性模量。

經(jīng)過(guò)截面換算后，組合梁結(jié)構(gòu)中的混凝土截面都換算成了鋼結(jié)構(gòu)的截面，這樣可以得到其幾何特征，如公式（2）所示。

式中：ySC為組合梁結(jié)構(gòu)完整截面的對(duì)稱軸到組合梁截面底部的距離；yC為混凝土梁結(jié)構(gòu)換算截面的對(duì)稱軸到組合梁整體截面底部的距離；yS為鋼結(jié)構(gòu)梁換算截面的對(duì)稱軸到組合梁整體截面底部的距離；ACS為混凝土和鋼材混合后形成組合梁的截面積；AS為鋼結(jié)構(gòu)梁的截面積；A為混凝土材料換算后組合梁結(jié)構(gòu)的整體截面積。

1.2 截面換算后的力學(xué)性能分析

經(jīng)過(guò)截面換算后，梁結(jié)構(gòu)中的混凝土部分需要達(dá)到的抗彎性能，如公式（3）所示。

式中：MC為組合梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分需要承載的彎矩；fC為合梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分能夠提供的抗壓強(qiáng)度；WC為組合梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分形成的抗彎截面系數(shù)。

經(jīng)過(guò)截面換算后，梁結(jié)構(gòu)中的鋼材部分需要達(dá)到的抗彎性能，如公式（4）所示。

式中：MS為組合梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分需要承載的彎矩；fS為合梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分能夠提供的抗壓強(qiáng)度；Ws為組合梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分形成的抗彎截面系數(shù)。

進(jìn)一步可以計(jì)算組合梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分某一點(diǎn)需要承載的法向力，如公式（5）所示。

式中：σC為梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分某一點(diǎn)需要承載的法向力；M為組合梁需要承擔(dān)的整體彎矩；yC為混凝土梁結(jié)構(gòu)換算截面的對(duì)稱軸到組合梁整體截面底部的距離；IC為組合梁結(jié)構(gòu)中混凝土部分所能達(dá)到的慣性矩。

進(jìn)一步可以計(jì)算組合梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分某一點(diǎn)需要承載的法向力，如公式（6）所示。

式中：σS為梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分某一點(diǎn)需要承載的法向力；M為組合梁需要承擔(dān)的整體彎矩；yS為鋼材梁結(jié)構(gòu)換算截面的對(duì)稱軸到組合梁整體截面底部的距離；IS為組合梁結(jié)構(gòu)中鋼材部分所能達(dá)到的慣性矩。

2 鋼混組合梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析試驗(yàn)

在前文中，基于截面模型法進(jìn)行鋼混組合梁的力學(xué)特性分析，接下來(lái)將根據(jù)仿真試驗(yàn)對(duì)截面模型分析方法的效果進(jìn)行檢驗(yàn)?；谟邢拊Ｐ蜆?gòu)建鋼混組合梁的三維仿真形態(tài)，如圖1所示。

圖1 鋼混組合梁的仿真結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖1 中，鋼混組合梁是細(xì)小柵格構(gòu)成的T 型梁結(jié)構(gòu)，上方受到兩處集中載荷的作用，可以考察鋼混梁可能出現(xiàn)的受力和變形情況。

在仿真梁形態(tài)基本固定的情況下，對(duì)鋼混組合梁的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括選擇鋼材的型號(hào)和混凝土。首先，以C50 型號(hào)的混凝土和Q355型的鋼材為主要材料設(shè)計(jì)鋼混結(jié)構(gòu)梁。為便于細(xì)致地考察鋼混結(jié)構(gòu)梁可能出現(xiàn)的各種情況，進(jìn)一步配置不同比例的鋼纖維，包括4 種形式：第一種是以C50型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料，不配置鋼纖維。第二種是以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料，配置0.5%的鋼纖維。第三種是以C50 型號(hào)、Q355型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料，配置1.0%的鋼纖維。第四種是以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料，配置1.5%的鋼纖維。

首先，比較當(dāng)4 種材料可承受的極限載荷值和極限載荷發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的撓度值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 4 種型號(hào)鋼材對(duì)應(yīng)的極限載荷和對(duì)應(yīng)跨度

從圖2 的結(jié)果可以看出，4 種型號(hào)材料所承受的極限載荷都大于140kN，并且相差幅度不大。首先，從4 種型號(hào)材料可以承受的極限變形來(lái)看，以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料效果最好，可以抵御約22mm 的變形；其次，以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并配置1.0%的鋼纖維的材料，可以抵御約20mm 的變形；再次，以C50型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并配置0.5%的鋼纖維的材料，可以抵御約18mm 的變形；最后，以C50型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并不配置鋼纖維的材料，可以抵御約14mm 的變形。

進(jìn)一步觀察4 種材料配置的組合梁結(jié)構(gòu)撓度變化隨跨中距離遠(yuǎn)近的變化，如圖3所示。

圖3 組合梁結(jié)構(gòu)的撓度變化隨跨中距離遠(yuǎn)近的變化

圖3 中，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)距離跨中的距離（X/L），縱坐標(biāo)是跨中撓度，mm。從這組曲線的變化情況可以看出，4 種材料的最大撓度變化都發(fā)生在跨中位置。距離跨中兩側(cè)越遠(yuǎn)，撓度發(fā)生量就越小。從總體上看，以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料，可以承受的撓度變化，一直優(yōu)于其他3 種材料。

接下來(lái)進(jìn)一步改變材料配置方式，在以T355 型號(hào)鋼材為主要材料的基礎(chǔ)上，改變混凝土型號(hào)的配置，分別配置C50 型號(hào)混凝土、C75 型號(hào)混凝土、C100 型號(hào)混凝土，從而形成3 種新的配置情況，進(jìn)一步觀察這3 種材料撓度的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 另外3 種材料下組合梁結(jié)構(gòu)的撓度變化隨跨中距離遠(yuǎn)近的變化

圖4 中，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)距離跨中的距離（X/L），縱坐標(biāo)是跨中撓度，mm。3 組曲線中，QC50 代表以C50 型號(hào)混凝土、T355 型號(hào)鋼材的為主要材料的組合梁，QC75代表以C75 型號(hào)混凝土、T355 型號(hào)鋼材的為主要材料的組合梁，QC100 代表以C100 型號(hào)混凝土、T355 型號(hào)鋼材的為主要材料的組合梁。

圖4 中3 種材料的最大撓度變化都發(fā)生在跨中位置。距離跨中兩側(cè)越遠(yuǎn)，撓度發(fā)生量就越小。3 種材料的組合梁的撓度變化曲線都比較接近，跨中撓度極限值分布在13mm～15mm，差距不大。綜合圖3 和圖4 可以看出，新配置的3 種材料，對(duì)最大變形的承受性能，要弱于之前的4 種材料。由此可以看出，組合梁中鋼纖維植入的必要性，可以更大程度地提升鋼混組合梁的性能。該結(jié)果也可以表明，為了提升鋼混組合梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，除了混凝土和鋼筋的合理配置，還要注意鋼纖維的植入，進(jìn)一步提升梁結(jié)構(gòu)的抗彎性能，從而提升其在載荷情況下抵抗變形的能力。

3 結(jié)論

在混凝土結(jié)構(gòu)梁和鋼結(jié)構(gòu)梁基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的組合梁，對(duì)路橋工程具有十分重要的意義，其安全性更高、使用范圍更廣。該文依托截面模型分析法，首先，將混凝土材料進(jìn)行鋼材料的截面換算，進(jìn)而構(gòu)建包括截面、撓度、彎矩和抗彎效果等參數(shù)的力學(xué)分析模型。其次，分別設(shè)計(jì)7 種材料組合下的混合梁結(jié)構(gòu)，并分析其所能承受的極限載荷值和所能抵抗的最大撓度變形情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合梁跨中撓度最大，距離跨中越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的撓度變形越??；從7 種材料的配置情況來(lái)看，以C50 型號(hào)、Q355 型號(hào)鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料可以達(dá)到最好的力學(xué)性能效果，這也證明鋼纖維植入對(duì)鋼混組合梁具有十分重要的作用。