陳 歡，陳銳林，戴可以，任海龍，陸亞平

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

外包鋼—混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)承載力數(shù)值分析*

陳 歡，陳銳林，戴可以，任海龍，陸亞平

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

針對(duì)外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)抗彎承載力性能，利用ABAQUS6.12有限元軟件對(duì)組合梁進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬.有限元結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果吻合較好.利用該模型，分析外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩變形機(jī)理，探討了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、抗剪連接件間距、鋼材屈服強(qiáng)度等因素對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)承載力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù). 關(guān)鍵詞：組合梁；抗彎承載力；變參數(shù)；有限元分析

0 引 言

本文所用的外包鋼-混凝土組合梁是在普通鋼-混凝土組合梁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型構(gòu)件，它是以較厚鋼板為底板，腹板采用較薄的冷彎薄壁型鋼，通過焊接連接形成U形截面，然后在U形截面內(nèi)澆注混凝土，作為T形組合梁的肋部，翼緣板可為現(xiàn)澆樓板，鋼與混凝土通過抗剪連接件共同工作.組合梁負(fù)彎矩區(qū)翼板由于受拉開裂，受拉區(qū)開裂混凝土退出工作，組合梁截面主要由鋼梁和負(fù)彎矩區(qū)的鋼筋和部分混凝土組成，截面剛度減小[1]，因此結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)往往由負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂后板內(nèi)鋼筋的屈服和鋼梁的屈曲控制[2].在正常使用階段，當(dāng)混凝土板開裂后，會(huì)導(dǎo)致組合梁剛度降低，因此對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力研究就尤為重要.王慶利等[3]研究了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[4～5]和規(guī)程設(shè)計(jì)方法，彌補(bǔ)了兩種方法的不足，得出了合理的計(jì)算方法.陳世鳴等[6]對(duì)體外預(yù)應(yīng)力組合梁進(jìn)行了承載力試驗(yàn)研究，得出對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)施加預(yù)應(yīng)力后，能有效提高截面的開裂彎矩.

為了進(jìn)一步探討外包鋼-混凝土組合梁的負(fù)彎矩區(qū)組合效應(yīng)抗彎承載力，合理進(jìn)行外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)的裂縫控制[7]，深入開展對(duì)外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)抗彎承載力的分析研究，具有十分重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景.利用ABAQUS有限元軟件，建立了單跨倒置簡(jiǎn)支組合梁的非線性模型，并對(duì)其受力過程進(jìn)行了非線性數(shù)值分析.研究了主要參數(shù)對(duì)組合梁受力性能的影響，為工程設(shè)計(jì)提供了參考.

1 有限元模型

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

陳麗華[8]針對(duì)簡(jiǎn)支外包鋼-混凝土組合梁和連續(xù)外包鋼-混凝土組合梁進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究.本文選取其中兩根簡(jiǎn)支梁試件作為研究對(duì)象，用來研究組合梁在負(fù)彎矩作用下的極限受彎承載力和剛度，為連續(xù)組合梁提供依據(jù).試件的構(gòu)造和參數(shù)如圖1和表1所示.

表1 試件主要參數(shù)

圖1 試驗(yàn)簡(jiǎn)支梁構(gòu)造圖

1.2 三維有限元模型

本文利用ABAQUS軟件建立外包鋼-混凝土組合梁有限元模型，如圖2所示.外包鋼-混凝土組合梁是由U形鋼梁、混凝土梁、抗剪連接件、鋼筋組成.其中U形鋼梁側(cè)板采取S4R四節(jié)點(diǎn)有限薄膜應(yīng)變線性減縮單元；U形鋼梁底板和混凝土梁選取三維八節(jié)點(diǎn)線性縮減積分單元C3D8R；抗剪連接件采用有阻尼器和彈簧組成的 AXIAL 單元來模擬；梁內(nèi)縱筋采取三維2節(jié)點(diǎn)桁架單元T3D2；混凝土和鋼梁的連接采用MERGE命令結(jié)合在一起，還利用摩擦接觸PENALTY(罰函數(shù))摩擦公式定義了鋼梁與混凝土之間的接觸屬性.

圖2 組合梁有限元模型

2 外包鋼-混凝土組合梁數(shù)值模擬

運(yùn)用ABAQUS建立的三維有限元模型對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，計(jì)算得到了組合梁及組合梁跨中荷載—撓度曲線和極限承載力試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比結(jié)果，分別如表2和圖3所示.

外包鋼-混凝土組合梁彈性工作階段是從開始加載到外包鋼梁底板開始屈服為止，此時(shí)組合梁整體工作性能好，荷載和跨中撓度變形呈線性增長(zhǎng).當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%左右，鋼梁底板開始屈服，而鋼梁的其他部分都還處在彈性工作階段，組合梁的試驗(yàn)值和非線性有限元模擬值吻合較好.

表2 主要試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比結(jié)果

注：Py是外包鋼組合梁底板達(dá)到屈服時(shí)的屈服荷載；Pu是試件達(dá)到破壞時(shí)所承受的最大荷載值；My、Mu分別為對(duì)應(yīng)著荷載Py、Pu跨中截面的彎矩值；δy、δu分別對(duì)應(yīng)著荷載Py、Pu跨中截面的撓度值.

圖3 跨中荷載—撓度曲線試驗(yàn)值與有限元結(jié)果對(duì)比圖

3 有限元參數(shù)分析

由于本文主要研究外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)的受力性能，本節(jié)選用帶混凝土翼緣板模型SBD-5外包鋼-混凝土組合梁為例，改變了模型中混凝土強(qiáng)度、剪力連接件間距及鋼材屈服強(qiáng)度等參數(shù)，進(jìn)行一系列變參數(shù)分析，分析了模型各種參數(shù)對(duì)外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能和跨中撓度-應(yīng)力分布情況的影響.得到跨中荷載-撓度曲線如圖4所示.

圖4 各參數(shù)變化對(duì)組合梁荷載撓度曲線的影響

隨著混凝土等級(jí)的增加，如圖4(a)所示，組合梁的極限承載力有所增加，但幅度不大，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C40提高到C50，其極限承載力僅提高了3%.在模型彈性工作階段，外包鋼-混凝土組合梁在負(fù)彎矩區(qū)段撓度值比較小，其中撓度變形受混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化影響較大，隨著組合梁模型進(jìn)入彈塑性工作階段之后，組合梁撓度變形隨混凝土強(qiáng)度的增大而增加，并且增加幅度較大.

隨著抗剪件間距的增加，如圖4(b)所示，在模型彈性工作階段，外包鋼-混凝土組合梁在負(fù)彎矩區(qū)段撓度變形受到抗剪連接件間距變化影響比較小.抗剪連接件間距的對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)段抗彎承載力影響不大，但是要考慮滑移因素的影響.在加載初始階段，采用不同抗剪連接件間距模型的跨中撓度變形相差很小，表明不同抗剪件間距的組合梁初始剛度相差不大；隨著施加荷載的增大，抗剪連接件間距較大的模型其跨中撓度增加速度明顯大于間距較小者，表明較大的抗剪連接件間距造成結(jié)構(gòu)整體剛度在較高荷載作用下降低更為快速.雖然抗剪連接件間距大的組合梁承載力降低，但其同時(shí)具有較大的塑性變形能力，改善了結(jié)構(gòu)的延性.抗剪連接件間距不同對(duì)承載能力極限狀態(tài)下鋼梁的跨中截面應(yīng)力分布影響較小，對(duì)彈性階段影響較大.

隨著鋼材屈服強(qiáng)度的增加，如圖4(c)所示，組合梁的極限承載力有了大幅的增加.當(dāng)鋼材強(qiáng)度有235 MPa提高到420 MPa時(shí)，組合梁的極限承載力提高了20%，不同屈服強(qiáng)度等級(jí)的組合梁在彈性階段荷載-撓度曲線重合，鋼材屈服強(qiáng)度等級(jí)越低的組合梁越先進(jìn)入彈塑性階段且截面抗彎承載力越低.

4 結(jié) 論

針對(duì)外包鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)段的受力性能分析，本文利用有限元軟件ABAQUS對(duì)組合梁負(fù)彎矩作用下受力過程進(jìn)行了非線性數(shù)值分析，探討了相關(guān)參數(shù)對(duì)其抗彎承載力性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)組合梁負(fù)彎矩區(qū)段混凝土翼緣因?yàn)檩^小的拉應(yīng)力就開裂退出工作，雖然隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加負(fù)彎矩區(qū)的抗彎承載力有所增加但是幅度不大.考慮安全可靠和經(jīng)濟(jì)適用，建議選用C30～C40之間的混凝土；

(2)抗剪連接件間距的對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)段抗彎承載力影響不大，確保在一定抗剪連接程度下，抗剪連接件布置不宜過密，避免造成對(duì)混凝土的劈裂破壞，且增加了施工難度；在對(duì)撓度沒有嚴(yán)格限制的情況下，也可適當(dāng)降低抗剪連接程度以增加結(jié)構(gòu)延性.

(3)提高鋼材屈服強(qiáng)度能顯著提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)的抗彎承載力，但對(duì)負(fù)彎矩區(qū)抗彎剛度無明顯影響；建議組合梁中采用強(qiáng)度等級(jí)高的鋼材，可以獲得較高的抗彎承載力，以達(dá)到節(jié)省鋼材的目的.

[1] 樊建生，聶建國．負(fù)彎矩作用下考慮滑移效應(yīng)的組合梁承載力分析[J]. 工程力學(xué)，2005，22(3)：177-182.

[2] 周期源. 冷彎薄壁型鋼-混凝土組合梁抗彎承載性能研究[D]. 南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

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Numerical Analysis on Hogging Moment’s Capacity of Steel-encased Concrete Composite Beams

CHEN Huan，CHEN Rui-lin，DAI Ke-yi，REN Hai-long，LU Ya-ping

(College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University， Xiangtan 411105， China)

Aiming at flexural capacity of steel-encased concrete composite beams under hogging moment, the paper uses the finite element software ABAQUS6.12 to nonlinearly simulate composite beams. The experiment analysis shares the same results as the calculation results. With the model, the thesis intends to analyze the deformation mechanism of steel-encased concrete composite beams’ hogging moment. And the paper analyzes the effects of the main parameters, such as concrete strength grade, spacing of shear connectors and steel strength grade on hogging moment, which provides some useful references for engineering design.

composite beams; flexural capacity; variable parameters; finite element analysis

2016-03-01

陳 歡(1990—)，女，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.

TU375

A

1671-119X(2016)04-0080-04