高榮譽， 李 平

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

混凝土疊合結構由于具有減少施工周期，節(jié)省建筑用材，整體性能好，抗震性能優(yōu)越，綜合經濟效益顯著等優(yōu)點正逐漸代替整澆式鋼筋混凝土結構和裝配式混凝土結構而成為最有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y構。國外學者在20世紀20年代開始對混凝土疊合梁進行了全方面的研究，但主要集中在一階段受力時簡支疊合梁結構的受力性能分析，到20世紀90年代開始了對疊合結構的系統(tǒng)研究，并在此方面取得了較為顯著地研究成果，而且已被國家混凝土規(guī)范所采用。

國內外研究者對兩階段受力疊合簡支梁的正截面和斜截面受力性能進行了一定數量的實驗研究和理論分析，基本上得出了兩階段受力疊合梁的受力特點并發(fā)表了一定數量的期刊和論文。但對混凝土疊合連續(xù)梁的受力特性，無論是從正截面方面還是從斜截面方面，所介紹的文獻和期刊都是比較少的，本文通過利用大型有限元軟件ANSYS模擬一根兩等跨疊合連續(xù)梁和對比梁，來介紹疊合連續(xù)梁在兩階段制造和兩階段受力時特殊截面處正截面的受力特性，在前人研究的基礎上，知道連續(xù)梁在跨中和支座處所受的力具有一定的代表性，如若梁的截面尺寸及配筋合理則連續(xù)梁會首先在支座處出現(xiàn)塑性鉸，使結構變成靜定結構，在繼續(xù)加載的情況下，會在跨中最大彎矩處出現(xiàn)塑性鉸從而使結構變成機動體系，最后導致結構的破壞，所以對跨中截面和支座處截面進行研究是具有現(xiàn)實意義的［1］。

1 特殊截面處受力特點

在實際工程中，相對于疊合簡支梁來說，疊合連續(xù)梁具有更大范圍的實用性和應用性。其截面的受力性能與簡支疊合梁的受力性能存在較大的差別。但由于同是疊合結構，所以它們具有受拉鋼筋應力超前和受壓混凝土應力滯后等共同特性，而與相應的整澆連續(xù)梁對比，由于疊合連續(xù)梁是兩階段施工和兩階段加載，它又具有支座負彎矩滯后的特性。本文將通過對疊合連續(xù)梁的跨中截面和支座截面不同的受力特性進行分析來闡述疊合連續(xù)梁的受力特點［2－5］。

1．1 跨中截面受力特點［1］

疊合連續(xù)梁由于兩階段制造和兩次加載這不同于一般整澆梁的受力特點，所以其受力特點也是不同的。第一次受力F1時，力作用在簡支梁上，由于本文是兩點集中加載，故在簡支梁的跨中，彎矩圖平行于梁的軸線，也就是說在簡支梁的跨中有純彎段，剪力為零。而相應的對比梁在承受相同的荷載下，由于對比梁是一次超靜定結構，其跨中彎矩相對簡支梁而言是較小的，而且它也不是純彎段，存在一定的剪力，因此可以看出此時疊合連續(xù)梁跨中受拉鋼筋應力比對比梁要大疊合連續(xù)梁受壓區(qū)混凝土應力比對比梁受壓區(qū)混凝土應力要小些，即混凝土應力滯后。第二次受力F2時，力作用在連續(xù)梁上，此時兩跨的連續(xù)梁是一次超靜定結構，由于受力F1作用的影響，疊合后的連續(xù)梁產生了荷載預應力，使疊合梁在二次受力時簡支梁的預壓區(qū)逐漸成為受拉區(qū)，由二次荷載引起的拉應力先抵消此部分壓應力使得疊合梁的跨中截面受拉鋼筋應力增長速度小于相應對比梁，則鋼筋的應力超前值得到緩解。

1．2 支座截面受力特點

梁支座處由于受集中力的作用，其剪力是很大的。連續(xù)梁更是如此，且兩跨的連續(xù)梁在中間支座處還承受一定的負彎矩。對于疊合連續(xù)梁來說，在第一次受力F1時，力作用在簡支梁上，此時支座彎矩為0，而承受相同荷載的對比梁此時中間支座有一定的負彎矩，因此疊合連續(xù)梁支座處受拉鋼筋應力滯后，受壓區(qū)混凝土應力滯后。在第二次受力F2時，疊合連續(xù)梁支座處存在負彎矩，而且由于受第一階段力的影響，跨中截面的荷載預應力引起了跨中截面內力重分布，使跨中內力向支座內力進行重分布，這與通常的整澆連續(xù)梁支座彎矩大于跨間彎矩的情況是截然不同的。由于內力的重分布，使疊合連續(xù)梁支座處的應力增量比相應的對比梁要大，同時支座處負彎矩鋼筋的應變增長率大于對比梁。

2 模型建立及分析

ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。廣泛應用在土木建筑行業(yè)。疊合連續(xù)梁具有兩階段施工和兩階段加載的受力特性，ANSYS運用生死單元及重啟動技術等相關命令能較好地模擬疊合梁正截面的受力特征。

2．1 基本假定

（1）平截面假定:受荷前后截面變形保持為平面，截面應變沿高度呈直線分布。

（2）疊合前后的接觸面粘結完好，不考慮相對滑移。

（3）鋼筋與混凝土之間粘結緊密，無滑移。

2．2 模型單元

在ANSYS模擬中，混凝土采用的是SOLID65單元，此單元可以很好的模擬混凝土拉裂與壓碎的受力特性。而鋼筋的模擬單元采用的是LINK8，它是一種適用于多種工程實際的桿元素，這種桿元素只能承受單軸的拉壓，在結果中可以很好地繪制鋼筋的主應力和等效應力圖。支座墊塊采用的是SOLID45單元，此單元主要用于構造三維的實體結構，具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。采用墊塊是為了防止支座處和荷載作用處發(fā)生應力集中，因此在材料屬性設置其要求要比混凝土要高。

2．3 模型尺寸及材料

本文模擬疊合連續(xù)梁模型的尺寸為:每跨梁總長3m，凈長為2．8m，共兩跨，梁寬200mm，梁高500mm，疊合前后梁的截面高度比為h1／h＝0．6，即h1＝300mm。根據《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010－2010）規(guī)定疊合梁的疊合層混凝土強度等級不宜低于C30，故模擬時預制層和疊合層混凝土的強度等級皆取為C30。支座距離混凝土梁邊緣200mm，箍筋采用φ10＠200，架立筋為2φ16，縱筋為2Φ18。采用兩點加載，即每跨梁上受兩個集中荷載。在兩側距支座1000mm處預制部分和疊合部分先后各施加力F1＝50kN、F2＝100kN，其中力F1直接加在預制部分的梁上，F(xiàn)2加在疊合后的梁上的墊塊上，避免力過大導致梁上產生應力集中。支座約束按照連續(xù)梁的一般約束進行定義。對比梁的尺寸及所用材料與疊合梁完全相同，所用加載方式也是兩點加載，在距支座1000mm處施加力F＝150kN。所建模型及配筋如圖1、圖2、圖3所示:

圖1 疊合梁配筋圖及截面設計

圖2 一次加載時模型圖

圖3 整體模型圖

2．4 結果分析

對疊合連續(xù)梁進行非線性靜定結構分析，可供后處理程序提取結構的位移、應變、應力以及反作用力，顯示裂縫的分布情況等。

2．4．1 受拉鋼筋應力超前分析［3］

通過ANSYS模擬，現(xiàn)提取疊合梁在第一次受力F1時預制部分跨中受拉鋼筋的應力時間圖及受相同荷載的對比梁跨中受拉鋼筋應力時間圖。如圖4所示:

圖4 跨中受拉鋼筋應力時間圖

從圖4可以看出，疊合梁在第一次受力時預制部分跨中受拉鋼筋在時間為2s時應力達到40MPa，而在受相同荷載的對比梁上，跨中受拉鋼筋在時間為2s時應力達到12．5MPa，前者大于后者，整體來看，疊合梁在一次受力時跨中受拉鋼筋的應力為相應對比梁的3倍左右，因此很容易看出疊合梁跨中受拉鋼筋應力超前現(xiàn)象。

2．4．2 受拉鋼筋應力滯后分析

疊合梁在二次加載時，中支座處于受負彎矩狀態(tài)，而在第一次加載時，由于是加載在簡支構件上，中支座的彎矩為0，相應的此時鋼筋的應力也為0。與相應對比梁比較，施加相同荷載時，對比梁的中支座彎矩要比疊合梁的大，因此疊合梁支座處受拉鋼筋應力滯后，這是疊合連續(xù)梁所特有的特性?，F(xiàn)從ANSYS中提取二次受力時中支座負彎矩處鋼筋應力時間圖，如圖5所示:

圖5表明，疊合梁在時間為0－2s時，鋼筋應力為0，在2s滯后才有應力，而對比梁在2s時鋼筋應力為140MPa左右，疊合梁支座處鋼筋最大應力為112．5MPa左右，可以看出疊合連續(xù)梁鋼筋應力小于對比梁的鋼筋應力，反應出疊合連續(xù)梁所特有的性質支座負彎矩處鋼筋應力滯后現(xiàn)象。

圖5 支座負彎矩鋼筋應力時間圖

2．4．3 受壓混凝土應力滯后分析

疊合連續(xù)梁第一階段加載是在預制部分，所以其后澆層混凝土沒有產生應力應變，第二次加載是在后澆層上，此時后澆層混凝土產生了應力。由于第一階段的加載使構件產生了荷載預應力，使后澆層受壓區(qū)混凝土在跨間產生的應力小于相同荷載對比梁上后澆層受壓區(qū)混凝土產生的應力，現(xiàn)從ANSYS中提取二次受力時混凝土應力云圖，如圖6所示:

圖6 二次受力時混凝土應力云圖

從圖6可以看出，后澆層混凝土在跨間的應力等值線圖顯示的是暗黃色，在疊合連續(xù)梁中此顏色的應力值為－0．979382MPa，而在對比梁中此顏色代表的應力值為－1．239MPa，在ANSYS的應力云圖中拉為正號顯示，壓為負號顯示，由此可以看出疊合梁后澆層在受壓區(qū)的混凝土應力小于對比梁相應區(qū)域的混凝土應力，從而反映出受壓區(qū)混凝土應力滯后現(xiàn)象。

3 結 論

通過對混凝土疊合連續(xù)梁和對比梁進行的模擬對比，可以得出以下幾點結論:

（1）由于第一階段加載時預制構件較低，且處于簡支狀態(tài)，故跨中受拉鋼筋及受壓區(qū)混凝土產生較大的應變，而相應對比梁在相同荷載作用下，因其截面高而鋼筋應變值要小很多，這就產生了疊合連續(xù)梁跨中截面受拉鋼筋應力超前、后澆層受壓區(qū)混凝土應力滯后現(xiàn)象。

（2）疊合連續(xù)梁在第一階段加載時為簡支狀態(tài)，故支座彎矩為0，與整體連續(xù)對比梁相比較存在支座負彎矩滯后現(xiàn)象，這是疊合連續(xù)梁所特有的性質。

（3）疊合連續(xù)梁在跨中和支座這兩處特殊截面的受力性質與一般的整澆梁存在一定的區(qū)別，所以在設計和施工時應考慮此種現(xiàn)象，避免疊合連續(xù)梁少筋和超筋破壞。

1 周旺華．現(xiàn)代混凝土疊合結構［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998．

2 GB50010－2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社．

3 劉文春，高榮譽，趙梅．疊合梁斜截面抗剪性能的數值研究與分析［J］．安徽建筑工業(yè)學院學報，2009，17（3）:6－10．

4 侯小美，黃賽超．二次受力混凝土連續(xù)疊合梁的非線性分析［J］．中南工業(yè)大學學報，2001，32（5）:465－468．

5 常鵬，姚謙峰．鋼筋混凝土疊合梁斜截面承載力數值模擬與影響因素分析［D］．中國安全科學學報，2005，15（12）:16－20．