建筑工程中鋼混梁裝配后力學(xué)性能分析

摘 要：為了保障高層建筑的安全性，在施工中廣泛應(yīng)用大跨度的鋼混梁結(jié)構(gòu)。為準(zhǔn)確分析鋼混梁的力學(xué)性能，構(gòu)建一種內(nèi)剖面分析模型。在這種模型下，梁結(jié)構(gòu)中的混凝土材料等效轉(zhuǎn)化為鋼材料，對(duì)其進(jìn)行受力和變形分析，得到有關(guān)彎矩、撓度等力學(xué)性能指標(biāo)的分析結(jié)果。采用ANSYS軟件對(duì)高層建筑中的大跨度鋼混梁進(jìn)行有限元建模，并對(duì)裝配后承受載荷及對(duì)應(yīng)變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明：增加鋼纖維的摻雜濃度，可以有效提高鋼混梁結(jié)構(gòu)承受變形的能力，使高層建筑安全性更高。

關(guān)鍵詞：高層建筑；施工裝配；鋼混梁結(jié)構(gòu)；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TU 37" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的跨越式發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大帶動(dòng)了建筑工程領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)，高層住宅和大型商用建筑的數(shù)量也不斷增加[1]。受建筑規(guī)模和高度的影響，新建工程的安全性要求也更高。其中，梁是非常重要的結(jié)構(gòu)，它是影響高層建筑和大型商用建筑安全的決定性因素[2]。從設(shè)計(jì)角度看，鋼梁和混凝土梁是兩種廣泛應(yīng)用的梁，為了進(jìn)一步提高梁的強(qiáng)度和抗壓性能，鋼混梁也成為一種有效的結(jié)構(gòu)形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)形態(tài)，綜合了鋼梁和混凝土梁的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了梁的力學(xué)性能、減少了其承重載荷下的變形。在設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，鋼混梁經(jīng)過施工裝配后，設(shè)計(jì)性能能否達(dá)到預(yù)期至關(guān)重要，須以科學(xué)的分析方法、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算手段和測(cè)試試驗(yàn)為依據(jù)加以論證[3]。本文以高層建筑中的大跨度梁的鋼混設(shè)計(jì)和施工裝配為研究對(duì)象，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，分析鋼混梁裝配后的力學(xué)性能，以期為建筑工程領(lǐng)域的同類項(xiàng)目提供參考。

1 構(gòu)建高層建筑鋼混梁力學(xué)特性分析模型

在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將兩種結(jié)構(gòu)組合在一起，以提高性能。在設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需求，對(duì)鋼混材料幾何結(jié)構(gòu)層進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)鋼混梁幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)行力學(xué)分析，是保證設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵。其中，截面設(shè)計(jì)方法是一種有效的手段。實(shí)際上，對(duì)高層建筑鋼混梁的力學(xué)分析來說，可以從整體構(gòu)建力學(xué)模型，并根據(jù)施力和受力的均衡關(guān)系進(jìn)行力學(xué)性能分析，找到鋼混梁整體的安全臨界點(diǎn)。但是這種方法的問題是無法發(fā)現(xiàn)鋼混梁可能出現(xiàn)問題的細(xì)節(jié)，無法預(yù)判或發(fā)現(xiàn)鋼混梁力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)最可能發(fā)生的位置。因此，須對(duì)鋼混梁進(jìn)行局部力學(xué)性能分析或內(nèi)部剖析。針對(duì)這種情況，截面內(nèi)剖法是最有效的手段，鋼混梁每個(gè)點(diǎn)位都可以實(shí)施截面處理，剖開截面就可以分析鋼混梁內(nèi)部出現(xiàn)力學(xué)問題的原因和可能性，以此可以更直接準(zhǔn)確地判定鋼混梁的力學(xué)安全情況，比整體分析法優(yōu)勢(shì)更明顯。

1.1 鋼混梁分析的內(nèi)剖面模型

對(duì)高層住宅等大型建筑來說，隨著高度和建筑用料量的增加，梁結(jié)構(gòu)的負(fù)荷也不斷增加。因此，構(gòu)建鋼混梁是一種可以發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，提高梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效方法。在鋼混梁的設(shè)計(jì)過程中，要通過力學(xué)性能分析保障設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性。

在力學(xué)性能分析的過程中，要對(duì)鋼混梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確建模。通常，鋼材和固結(jié)后的混凝土材料都是典型的剛性材料，不會(huì)發(fā)生塑性形變。為了簡(jiǎn)化分析過程，可以進(jìn)一步忽略兩種結(jié)構(gòu)間的微小偏移，并將二者看成完全一致的統(tǒng)一體。同時(shí)，為了便于建模和力學(xué)分析，可以對(duì)鋼混梁和純鋼材的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)標(biāo)換算。對(duì)鋼混梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析由此演變?yōu)閷?duì)鋼梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。

為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，最佳方案是將混合梁沿徑向剖分，觀察其內(nèi)剖面平面上的各種特征。對(duì)高層建筑來說，鋼混梁的徑向內(nèi)剖面和純鋼梁的徑向內(nèi)剖面，剛度特性和幾何特性間有一個(gè)對(duì)標(biāo)的換算關(guān)系，如公式（1）所示。

（1）

式中：MCS為高層建筑中配置的混合梁的徑向內(nèi)剖面的面積；MC為高層建筑中對(duì)標(biāo)配置的純鋼梁的徑向內(nèi)剖面的面積；KC為高層建筑中配置的混合梁的楊氏模量。

為了將彈性變形指標(biāo)完全轉(zhuǎn)化為梁結(jié)構(gòu)的幾何形變特征以便于后續(xù)分析，可以用梁結(jié)構(gòu)的徑向距離代替楊氏模量，從而得到公式（2）。

（2）

式中：dSC為高層建筑中配置的混合梁的徑向內(nèi)剖面中心軸線到剖面底部的距離；dC為高層建筑中對(duì)標(biāo)配置的純鋼梁的徑向內(nèi)剖面中心軸線到剖面底部的距離；dS為高層建筑中對(duì)標(biāo)配置的混凝土梁的徑向內(nèi)剖面中心軸線到剖面底部的距離；MCS為高層建筑中配置的混合梁的徑向內(nèi)剖面的面積；MS為高層建筑中對(duì)標(biāo)配置的混凝土梁的徑向內(nèi)剖面的面積；M為對(duì)標(biāo)計(jì)算后的內(nèi)剖面面積。

1.2 內(nèi)剖面模型下的力學(xué)特征分析

在高層建筑中，混合梁結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)承壓，混凝土材料的力學(xué)性能要弱于鋼材料的力學(xué)性能。當(dāng)載荷逐漸增加的過程中，混合梁中的混凝土材料會(huì)抗彎失效。而混凝土材料出現(xiàn)強(qiáng)度問題后，無論鋼材料是否安全，整個(gè)梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了問題。因此對(duì)混合梁的力學(xué)性能分析來說，要分析混凝土材料是否安全。在內(nèi)剖面模型下，混凝土抗彎性能的檢測(cè)條件如公式（3）所示。

JC≤gCWC" " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：JC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料實(shí)際承受的彎矩；gC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料最大的抗壓強(qiáng)度；WC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料的抗彎截面系數(shù)。

按照同樣的方法，可以對(duì)混合梁中的鋼材料內(nèi)剖面上的抗彎性能進(jìn)行檢測(cè)，如公式（4）所示。

JS≤gSWS" " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：JS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料實(shí)際承受的彎矩；gS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料最大的抗壓強(qiáng)度；WS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料的抗彎截面系數(shù)。

基于上述分析，可以更具體地計(jì)算混合梁內(nèi)剖面內(nèi)一個(gè)點(diǎn)的受力情況。其中，混凝土材料在內(nèi)剖面上某一點(diǎn)的法向力，計(jì)算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：FC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料某點(diǎn)的法向力；J為高層建筑中配置的混合梁整體所承受的彎矩；dC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料內(nèi)剖面軸線到內(nèi)剖析底部的距離；IC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料所承受的慣性矩。

按照同樣的方法，可以對(duì)混合梁中的鋼材料在內(nèi)剖面上某點(diǎn)的法向力進(jìn)行計(jì)算，如公式（6）所示。

（6）

式中：FS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料某點(diǎn)的法向力；J為高層建筑中配置的混合梁整體所承受的彎矩；dS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料內(nèi)剖面軸線到內(nèi)剖析底部的距離；IS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料所承受的慣性矩。

2 高層建筑鋼混梁裝配后力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過研究工作，對(duì)高層建筑鋼筋混凝土混合的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原理性分析，并構(gòu)建了內(nèi)剖面分析模型和鋼混梁的力學(xué)性能分析手段。考慮高層建筑普遍采用大跨度梁，因此用ANSYS工具仿真一個(gè)大跨度鋼混梁的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1的鋼混梁仿真模型可以看出，這是一個(gè)典型的大跨度梁，為達(dá)到有限元的分析效果，梁結(jié)構(gòu)整體劃分成多個(gè)小單元，便于內(nèi)部各種應(yīng)力分析和變形分析。從截面形狀看，這個(gè)鋼混梁是一個(gè)典型的“T”形結(jié)構(gòu)，因此每個(gè)徑向的內(nèi)剖面也是“T”形結(jié)構(gòu)。

從鋼混材料的構(gòu)成情況來看，為了滿足高層建筑的安全性需求，采用了C50型混凝土、Q235結(jié)構(gòu)鋼。這兩者組合形成了基本材料，也是試驗(yàn)分析中的第二種材料。同時(shí)，為了同類材料的橫向?qū)Ρ?，還在基本材料的基礎(chǔ)上配置了不同占比的鋼纖維，形成另外3種材料，這3種材料的鋼纖維的含量分別為0.5%、1.0%、1.5%。

確定試驗(yàn)材料后，根據(jù)內(nèi)剖面分析模型，分析混合梁裝配后可以承受的最大載荷及對(duì)應(yīng)的撓度變形，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，橫坐標(biāo)上的4個(gè)刻度分別對(duì)應(yīng)基本材料、分別摻雜0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維的材料。兩側(cè)的縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)最大載荷和對(duì)應(yīng)的撓度。

根據(jù)圖中折線的變化情況，在鋼纖維的摻雜比例不同的情況下，鋼混材料可以承受的最大載荷相差不大。但是，還可以明顯看出鋼纖維的摻雜比例越高，鋼混梁可以承受的最大撓度越大、安全系數(shù)越高。摻雜0.5%鋼纖維的鋼混材料可以承受的最大撓度就比基本材料高出近25%，當(dāng)鋼纖維的摻雜達(dá)到1.0%時(shí)，鋼混材料可以承受的最大撓度就比基本材料高出近80%。

在第一組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，觀察不同材料撓度變化的空間范圍，分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3中各條曲線的變化情況可以看出，在載荷作用的位置處都是最大撓度的發(fā)生位置。隨著距離載荷作用點(diǎn)的距離越來越遠(yuǎn)，不同材料鋼混梁撓度逐漸降低。當(dāng)距離增至左右0.5m的位置時(shí)，4種材料的鋼混梁撓度都降低。

考慮不同施工要求的情況下，對(duì)鋼混梁的強(qiáng)度要求會(huì)有所不同，也為了保障更高的安全性，鋼混材料采用不同型號(hào)的混凝土，分別形成C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼、C75混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼、C100混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼3種材料，用于鋼混梁結(jié)構(gòu)的建造施工和裝配。對(duì)比這3種材料的最大變形，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，混凝土型號(hào)越高、其強(qiáng)度越大、鋼混梁結(jié)構(gòu)的安全性也越高。C100混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為15mm的變形。C75混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為14mm的變形。但相對(duì)C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為13mm的變形來說，提升效果并不是特別明顯。

因此，在可以滿足安全性要求的前提下，為降低建造成本、提高性價(jià)比，選用C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料建構(gòu)鋼混梁，可以滿足高層建筑的要求。這3種材料的撓度變化范圍與圖3類似。

3 結(jié)論

隨著城市建筑的不斷升級(jí)，大型的高層建筑數(shù)量也不斷增加，對(duì)建筑工程領(lǐng)域的安全性提出了更高的要求。在影響高層建筑安全的諸多因素中，梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮著非常重要的作用。因此，本文針對(duì)高層建筑的大跨度混合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了力學(xué)性能的分析模型，并對(duì)裝配后的混合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試。在研究過程中，從幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的角度出發(fā)，構(gòu)建了混合梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)剖面分析模型，對(duì)混凝土材料轉(zhuǎn)換成鋼材料進(jìn)行統(tǒng)一性分析，進(jìn)而得到其變形和受力等情況的分析結(jié)果。在ANSYS平臺(tái)下進(jìn)行研究，通過對(duì)比不同型號(hào)混凝土、鋼、鋼纖維形成的混合梁材料的性能，證實(shí)了鋼纖維摻雜濃度越高，對(duì)混合梁結(jié)構(gòu)的最大變形承受能力提升幅度越大。

參考文獻(xiàn)

[1]丁信哲.大跨度鋼混梁轉(zhuǎn)體過程中滑道梁力學(xué)性能分析[J].工程與建設(shè)，2018，22（1）：30-33.

[2]黃文騰，弓扶元.基于水-熱-力耦合分析的鋼混梁徐變數(shù)值模擬研究[J].低溫建筑技術(shù)，2021，43（5）：505-510.

[3]李立峰，王孝亮，馮威，等.考慮鋼梁應(yīng)變強(qiáng)化的鋼-混組合梁抗彎承載力計(jì)算[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，16（11）：2822-2831.