余瀟

重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，中國·重慶 400074

組合梁以其優(yōu)異的力學(xué)性能得到十分廣泛的科學(xué)研究與理論應(yīng)用，新型材料的出現(xiàn)也使組合梁出現(xiàn)了更加廣闊的應(yīng)用前景。鋼-UHPC 組合梁結(jié)構(gòu)是一種集高性能結(jié)構(gòu)與高性能材料于一體的新型結(jié)構(gòu)形式，論文基于混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化，采用ansys 有限元分析軟件對不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的組合梁進(jìn)行性能對比研究。研究表明：混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高能提高結(jié)構(gòu)屈服與結(jié)構(gòu)極限的承載能力，也增大了結(jié)構(gòu)極限的跨中撓度，但降低了結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的跨中撓度。

組合梁；UHPC；強(qiáng)度等級(jí)；承載能力；跨中撓度

1 引言

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是將鋼與混凝土通過抗剪連接鍵組合而成的新型結(jié)構(gòu)，能有效發(fā)揮鋼材的抗拉性能與混凝土的抗壓性能。組合結(jié)構(gòu)上世紀(jì)末在中國新起，歷經(jīng)二十年的發(fā)展，如今對其力學(xué)性能的研究已較為透徹，組合結(jié)構(gòu)也已廣泛的應(yīng)用于大跨橋梁、高層建筑等重要工程結(jié)構(gòu)中[1]。超高性能混凝土（UHPC）是新世紀(jì)以來材料發(fā)展的結(jié)晶，具有高強(qiáng)度、高耐久性、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，現(xiàn)如今UHPC 也廣泛的應(yīng)用于橋梁工程中，目前全世界已建成的UHPC 梁橋有100多座，多以梁橋?yàn)橹鱗2]。

中國的許多學(xué)者針對普通混凝土組合梁的滑移效應(yīng)、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)承載力等做了相關(guān)研究[3-4]，其橋面板厚、負(fù)彎矩區(qū)混凝土易開裂等突出問題成為鋼-混凝土組合梁發(fā)展的制約，將普通混凝土變化為UHPC 后，形成鋼-UHPC 組合梁（以下簡稱UHPC 組合梁），能解決自重大、易開裂等問題，推進(jìn)了組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與發(fā)展。北京交通大學(xué)的張彥玲、閻貴平等[5-6]進(jìn)行了UHPC 組合梁的破壞模式與承載能力的研究，認(rèn)為UHPC 組合梁承載能力顯著高于普通混凝土組合梁，翼緣板厚度可以減薄15%以上，也可以有效提高負(fù)彎矩區(qū)的開裂荷載；福州大學(xué)的劉君平針對同等抗彎強(qiáng)度等級(jí)下的UHPC 組合梁與普通混凝土組合梁做了試驗(yàn)研究，得出兩種組合梁破壞模式相近，但UHPC 橋面板厚度可以減少28%，滑移與剪力滯效應(yīng)均明顯減小[7]。

材料性能是影響結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素之一，以往的研究多僅是針對普通混凝土與UHPC 開展的對比研究，但這兩種材料之間有多個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，基于強(qiáng)度等級(jí)變化而引起組合梁的性能變化規(guī)律是未知的，故論文基于混凝土材料強(qiáng)度的變化展開組合梁力學(xué)性能的研究，可對不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的組合梁設(shè)計(jì)提供理論參考。

2 研究模型

論文研究的對象為不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼-混凝土組合梁，混凝土等級(jí)有C50、C80、RPC90、RPC120、RPC150 五種。研究以數(shù)值分析為主，采用ansys 通用有限元軟件對不同強(qiáng)度等級(jí)下的鋼-混凝土組合梁進(jìn)行分析。

2.1 截面選取

論文中的數(shù)值模擬選取組合梁中的鋼梁截面為工字型，上部混凝土尺寸為750mm×100mm，截面尺寸如圖1所示。

圖1 組合梁截面圖

2.2 有限元模型

組合梁中的混凝土采用solid65 單元模擬，鋼板采用shell181 單元模擬，混凝土與鋼板上翼緣采用耦合的方式連接，不考慮交界面的滑移，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

論文鋼梁采用等級(jí)為Q345，模型中以Q345 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度310MPa 為標(biāo)準(zhǔn)，泊松比0.3，混凝土采用五種強(qiáng)度等級(jí)，如表1所示采用文獻(xiàn)8 的研究成果，列出了C50、C80、RPC90、RPC120、RPC150 五種混凝土的強(qiáng)度、峰值壓應(yīng)力、彈性模量等性質(zhì)。模型中的鋼材與混凝土均采用理想彈塑性模型。

表1 混凝土的強(qiáng)度、峰值壓應(yīng)力、彈性模量表

2.3 加載方式

論文采用的加載方式為兩點(diǎn)對稱加載，加載點(diǎn)到端點(diǎn)距離為1500mm，加載點(diǎn)之間距離為1000mm，加載形式如圖3所示。

圖3 加載示意圖

3 結(jié)果分析

論文的混凝土模型為理性彈塑性模型，故論文的極限狀態(tài)為混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，此時(shí)刻的加載量即為極限加載量，鋼板下翼緣進(jìn)入屈服時(shí)的加載量為結(jié)構(gòu)屈服加載量。

為方便區(qū)分，五種混凝土強(qiáng)度等級(jí)的組合梁編號(hào)如表2所示。

表2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

對五種混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的組合梁有限元結(jié)果進(jìn)行分析，可得如圖4所示的荷載-位移關(guān)系圖。

此截面的組合梁當(dāng)采用C50 混凝土?xí)r，中和軸位于混凝土與鋼板交界處，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，塑性中和軸上移。此論文僅針對中和軸位于混凝土截面內(nèi)的情況，組合梁保持混凝土截面與鋼梁截面均不變。

圖4 荷載-位移關(guān)系曲線圖

由圖4可以看出，在加載初期，L1-L5 梁均是處于線彈性范圍，五種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的彈性模量差異性不大，且截面相同，故彈性階段的圖像幾乎重合。繼續(xù)加載到一定荷載后，鋼材屈服，進(jìn)行塑性階段，但此時(shí)混凝土尚未被壓碎，故而可以繼續(xù)承載。但由于鋼材進(jìn)入屈服階段，結(jié)構(gòu)剛度降低，截面的剛度主要由混凝土提供，此時(shí)混凝土部分也并非全截面貢獻(xiàn)剛度，僅是受壓部分的混凝土貢獻(xiàn)剛度，故而L1 組合梁塑性階段剛度最大，變形發(fā)展較慢，L5 組合梁塑性階段剛度最小，變形發(fā)展迅速。隨著加載值進(jìn)一步增大，上部混凝土逐漸被壓碎，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，荷載-位移圖像平行于X 軸。

圖5 加載值-極限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

圖6 鋼板下緣拉應(yīng)力-加載值關(guān)系曲線圖

如圖5和圖6所示可以看出，僅增大上部混凝土強(qiáng)度，能在一定程度上提高鋼梁屈服時(shí)的承載力與結(jié)構(gòu)極限承載力，且?guī)缀蹼S著混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈線性增加，但結(jié)構(gòu)極限承載力的漲幅約為10%，結(jié)構(gòu)屈服承載力增長幅度僅約為2%左右。

圖7 跨中撓度-抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

由圖7可以看出，提高混凝土強(qiáng)度，鋼梁屈服時(shí)的跨中撓度下降，降低幅度約為10%，結(jié)構(gòu)屈服前處于彈性階段，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，彈性模量會(huì)有一定程度的增大，故L5 組合梁彈性階段截面剛度最大，L1 組合梁最差，因而L5組合梁在結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的跨中撓度最小，L1 梁最大。

當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，極限狀態(tài)下的跨中撓度增長幅度約為30%，L5組合梁受壓區(qū)范圍最小，故而截面的剛度最小，因此L5 組合梁極限狀態(tài)時(shí)的跨中撓度最大，L1 組合梁極限時(shí)的跨中撓度最小。

4 結(jié)語

第一，保持組合梁鋼板截面與混凝土截面不變，且中和軸位于混凝土截面內(nèi)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的承載力與極限承載力均有一定程度的提高，結(jié)構(gòu)極限承載力提高幅度約為10%，結(jié)構(gòu)屈服承載力提高幅度約為2%。

第二，混凝土強(qiáng)度的提高能降低結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的跨中撓度，降低幅度約為10%，但增大了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時(shí)的跨中撓度，增大幅度約為30%。

第三，此論文僅針對中和軸在混凝土截面內(nèi)的情況，后續(xù)可以針對相同截面下中和軸位于鋼梁截面內(nèi)、不同截面的組合梁基于強(qiáng)度等級(jí)的性能變化規(guī)律進(jìn)行研究。