王宗讓?zhuān)K明周，董振平

（1.陜西師范大學(xué)基建處，陜西 西安710061；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055 )

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能有效利用鋼材與混凝土材料的力學(xué)特性，承載力高且經(jīng)濟(jì)性好，被廣泛應(yīng)用于房屋建筑工程結(jié)構(gòu)中.工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)也大量采用鋼管混凝土斜腹桿雙肢柱形式作為豎向承重構(gòu)件，然而由于我國(guó)工業(yè)廠房應(yīng)用鋼管混凝土構(gòu)件時(shí)間不長(zhǎng)，且相關(guān)研究不夠深入，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到施工仍存在一些不足.從實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)看，主要為肩梁等構(gòu)造連接性能難以保證，鋼管內(nèi)混凝土澆注密實(shí)度不足，以及后期結(jié)構(gòu)維護(hù)不當(dāng).

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)鋼管混凝土肩梁進(jìn)行了一定研究.于安林、童根樹(shù)教授[1-4]對(duì)鋼管混凝土雙肢柱單腹板肩梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了承載力試驗(yàn)研究和理論分析，提出了一種考慮翼緣部分有效的實(shí)用設(shè)計(jì)公式.通過(guò)對(duì)鋼管混凝土四肢柱人字形綴桿以及單斜綴桿雙腹板肩梁承載力的研究發(fā)現(xiàn)，人字形綴桿結(jié)構(gòu)與單斜綴桿相比承載力大約提高20%，但人字形綴桿會(huì)對(duì)肩梁腹板產(chǎn)生較大反力，導(dǎo)致腹板過(guò)早發(fā)生屈曲.金天德、饒芝英[5]對(duì)鋼管混凝土柱肩梁進(jìn)行了只考慮彈性階段的有限元分析，得出腹板與鋼管采用嵌入形式可有效提高鋼管承載力的結(jié)論.沈祖炎和鄭沂[6]對(duì)鋼管混凝土柱肩梁極限承載力和整體剛度計(jì)算進(jìn)行了研究，提出了一種肩梁轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法.本文在1:3模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型鋼管混凝土柱單腹板肩梁進(jìn)行了有限元參數(shù)分析，探討了肩梁高厚比與高跨比對(duì)構(gòu)件承載能力的影響，并給出了設(shè)計(jì)公式.為這種改進(jìn)型肩梁在工程中應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ).

1 工程背景及試驗(yàn)介紹

1.1 工程背景

寶鋼在其冶金廠房中使用雙肢單腹板肩梁結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中出現(xiàn)一定程度的破損情況，具體破壞形式見(jiàn)圖1、表1和表2.針對(duì)上述情況，西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)安全研究所提出了一種單腹板肩梁的改進(jìn)形式，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)型肩梁的承載能力、受力性能及破壞形式進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)肩梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及維修管理工作具有積極的意義.本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元參數(shù)分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了設(shè)計(jì)建議.1.2 改進(jìn)型單腹板肩梁試驗(yàn)概況

圖1 肩梁具體破壞形式Fig.1 Damage forms of shoulder beam

表1 吊車(chē)梁與支座連接損傷情況[7]Tab.1 Damage of crane beam and support connection[7]

表2 吊車(chē)梁傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7]Tab.2 Statistical results of crane beam damage [7]

試驗(yàn)試件根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)[8]，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB-50011-2001)[9]進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)了2個(gè)鋼管混凝土中柱肩梁試件 (ZJ-1、ZJ-2)，2個(gè)鋼管混凝土邊柱肩梁試件 (BJ-1，BJ-2)，試件采用 1:3縮尺模型.模型具體形式、尺寸，試驗(yàn)加載方案及制度見(jiàn)文獻(xiàn)[10].試件ZJ-1、ZJ-2破過(guò)程式為：當(dāng)肩梁承載力接近屈服荷載時(shí)，腹板受壓區(qū)域出現(xiàn)了屈曲，隨著荷載增大，變形逐漸向斜下方發(fā)展，直至出現(xiàn)一條與水平線(xiàn)成大約45o的斜壓帶，引起翼緣屈曲，最終結(jié)構(gòu)由于變形過(guò)大而喪失承載能力.具體破壞形式見(jiàn)圖 2，荷載位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖 4.中柱肩梁在荷載作用下，柱受壓翼緣基本未發(fā)生破壞，而肩梁腹板發(fā)生較大變形；隨著荷載繼續(xù)增大，塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，最終，肩梁由于腹板變形過(guò)大而喪失承載力，中柱肩梁的破壞模式為腹板屈曲而引起截面破壞.

BJ-1，BJ-2的破壞過(guò)程與試件 ZJ-1、ZJ-2不同.表現(xiàn)為當(dāng)肩梁承載力接近屈服荷載時(shí)，受壓翼緣發(fā)生輕微屈曲變形；隨著荷載增大，腹板受壓區(qū)域出現(xiàn)了屈曲，形成了一條與水平線(xiàn)成約 45°的斜壓帶，最終結(jié)構(gòu)由于變形過(guò)大而喪失承載能力.具體破壞形式見(jiàn)圖 3，荷載位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖 5.邊柱肩梁的破壞由受壓翼緣開(kāi)始，翼緣發(fā)生屈曲后，對(duì)腹板的約束減弱，進(jìn)而腹板發(fā)生較大變形，整個(gè)截面發(fā)生屈服而喪失承載力，邊柱肩梁的破壞模式為翼緣屈曲而引起的截面破壞.

圖2 試件ZJ-1、ZJ-2破壞情況Fig.2 Damage forms of specimen ZJ-1 and ZJ-2

圖3 試件BJ-1、BJ-2破壞情況Fig.3 Damage forms of specimen BJ-1 and BJ-2

圖4 試件ZJ-1、ZJ-2荷載-位移曲線(xiàn)Fig.4 Load -displacement curve of specimen ZJ-1 and ZJ-2

圖5 試件BJ-1、BJ-2荷載-位移曲線(xiàn)Fig.5 Load -displacement curve of specimen BJ-1 and BJ-2

2 有限元模型分析

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，鋼材與混凝土的本構(gòu)關(guān)系根據(jù)試驗(yàn)試件的材性試驗(yàn)確定，鋼材采用Solid45單元，混凝土采用Solid65單元.Q345鋼的彈性模量E=1.92×105N/mm2，泊松比ν=0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=414 N/mm2，極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)u=569 N/mm2.Q235鋼的彈性模量 E=2.0×105N/mm2，泊松比 ν=0.3，屈服強(qiáng)度 fy=311 N/mm2，極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)u=472 N/mm2；混凝土標(biāo)號(hào)為C30，不考慮包辛格效應(yīng)影響.鋼材與混凝土的本構(gòu)模型見(jiàn)圖 6，有限元模型見(jiàn)圖 7.將有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)圖8和圖9，荷載位移曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖10.經(jīng)過(guò)對(duì)比可知計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好吻合.

圖6 材料本構(gòu)模型Fig.6 Material constitutive model

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

圖8 中柱試件破壞形式比較Fig.8 Comparison of damage forms of middle column specimen

圖9 邊柱試件破壞形式比較Fig.9 Comparison of damage forms of side column specimen

圖10 試驗(yàn)與有限元荷載-位移曲線(xiàn)比較Fig.10 Comparison of load -displacement curves

3 有限元參數(shù)分析

3.1 高厚比影響

鋼管混凝土柱肩梁邊柱高厚比有限元參數(shù)分析共設(shè)置 5個(gè)模型(GHB1～GHB5)，中柱試件共 5個(gè)模型(GHZ1～GHZ5).經(jīng)有限元計(jì)算，邊柱高厚比模型荷載-位移關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖11，具體數(shù)值見(jiàn)表3；中柱高厚比模型荷載-位移關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖 12，具體數(shù)值見(jiàn)表 4.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：邊、中柱肩梁的屈服荷載與極限荷載增加速度隨著高厚比的減小(腹板厚度增加)而減慢.邊柱肩梁腹板厚度每增大2 mm屈服荷載增加約152 kN；中柱肩梁腹板厚度每增加2 mm極限荷載增大約204 kN.但隨著高厚比的減小，Py/Pu值逐漸增大，兩者數(shù)值逐漸接近，將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響.

圖11 不同高厚比邊柱肩梁荷載-位移曲線(xiàn)Fig.11 Load -displacement curves of different depth-thickness ratio side column

圖12 不同高厚比中柱肩梁荷載-位移曲線(xiàn)Fig.12 Load -displacement curves of different depth-thickness ratio middle column

表3 不同肩梁腹板高厚比邊柱肩梁尺寸和荷載值Tab.3 Geometrical dimensions and loads of different depth-thickness ratio side column

表4 不同肩梁腹板高厚比中柱肩梁尺寸和荷載值Tab.4 Geometrical dimensions and loads of different depth-thickness ratio middle column

3.2 高跨比影響

鋼管混凝土柱肩梁邊柱高跨比有限元參數(shù)分析共設(shè)置 4個(gè)模型(GKB1～GKB4)，中柱試件共 4個(gè)模型(GKZ1～GKZ4).經(jīng)有限元計(jì)算，邊柱高跨比模型荷載-位移關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖13，具體數(shù)值見(jiàn)表5；中柱高跨比模型荷載-位移關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖 14，具體數(shù)值見(jiàn)表 6.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：邊柱肩梁的屈服荷載與極限荷載增加速度隨著高跨比的減小(腹板高度增加)而減慢；中柱肩梁隨著高跨比的減小，屈服荷載增速基本不變，而極限荷載增速加大.可見(jiàn)，肩梁采用中柱布置形式，承載力提高更具明顯.邊柱肩梁高跨比每增加0.1，屈服荷載增加約235 kN；中柱肩梁高跨比每增加 0.1，屈服荷載增加約 284 kN.但隨著高厚比的減小，Py/Pu值逐漸增大，兩者數(shù)值逐漸接近，將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響.

圖13 不同高跨比邊柱肩梁荷載-位移曲線(xiàn)Fig.13 Load -displacement curves of different high-span ratio side column

圖14 不同高跨比中柱肩梁荷載-位移曲線(xiàn)Fig.14 Load -displacement curves of different high-span ratio middle column

表5 不同高跨比邊柱肩梁尺寸和荷載值Tab.5 Geometrical dimensions and loads of different high-span ratio side column

表6 不同高跨比中柱肩梁尺寸和荷載值Tab.6 Geometrical dimensions and loads of different high-span ratio middle column

4 設(shè)計(jì)方法研究

根據(jù)試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果，肩梁的破壞主要由腹板受剪形成一條斜壓帶引起，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變形過(guò)大而喪失承載力.故肩梁的承載力設(shè)計(jì)應(yīng)采用考慮剪力作用下腹板受剪破壞控制的方法.剪力起控制作用下：

彎矩起控制作用下：

令：

當(dāng)0.3≤ (hwL2)[(1 6)+()]時(shí)，剪力起控制作用.一般比值 twhwtfbf＜2.0，偏于安全時(shí)，取 twhwtfbf=2.0，代入上式得：hwL2≥ 0 . 45.

肩梁在剪力起控制作用下，即 hw/L2≥0 . 45的條件下，承載力計(jì)算公式為

實(shí)用設(shè)計(jì)公式

式中：maxV 為由上柱傳來(lái)的軸心力對(duì)肩梁腹板所產(chǎn)生的剪力；wt為肩梁腹板厚度；wh為肩梁腹板高度.

對(duì)實(shí)用公式進(jìn)行驗(yàn)證，可靠指標(biāo) β=3.7，由于肩梁不同于其它構(gòu)件，其破壞形式通常為強(qiáng)度破壞，為了保證其安全性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，肩梁的可靠度為β=3.7(理論計(jì)算結(jié)果乘以系數(shù)1.2后,與有限元計(jì)算屈服荷載進(jìn)行比較)，具體結(jié)果見(jiàn)圖 15.經(jīng)比較可發(fā)現(xiàn)：邊柱和中柱肩梁按公式(6)所確定的承載力與有限元分析結(jié)果總體趨勢(shì)一致，邊柱的計(jì)算結(jié)果吻合較好，中柱計(jì)算結(jié)果雖然存在一定差距，但總體仍可以保證其滿(mǎn)足可靠度要求指標(biāo).按實(shí)用公式確定的肩梁承載力可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

圖15 計(jì)算承載力與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison of formula and finite element calculation results

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)改進(jìn)型鋼管混凝土柱單腹板肩梁有限元分析及設(shè)計(jì)方法研究，可得到以下結(jié)論：

(1)邊、中柱肩梁的屈服與極限荷載增加速度隨著高厚比的減小而減慢；邊柱肩梁的屈服與極限荷載增加速度隨著高跨比的減小而減慢；但中柱肩梁隨著高跨比的減小，屈服荷載增速不變，而極限荷載增速加大.

(2)肩梁采用中柱形式，承載力提高更具優(yōu)勢(shì).但隨著肩梁高厚比、高跨比的減小，Py/Pu值逐漸增大，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制肩梁的高厚比與高跨比取值.

(3)肩梁的破壞主要由腹板受剪形成一條斜壓帶引起，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)變形過(guò)大喪失承載力.

(4)按考慮剪力作用下腹板受剪破壞控制的肩梁承載力實(shí)用公式可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)可靠度規(guī)定指標(biāo)的要求.

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