陳 琦 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，具體做法是在鋼筋混凝骨架中放置型鋼?；炷痢摻?、型鋼一起承受外部負(fù)荷，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具備鋼結(jié)構(gòu)延性好、自重低、截面尺寸小等特點(diǎn)的同時(shí)也表現(xiàn)出如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般的優(yōu)異承載力和防腐防火性能。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早、應(yīng)用廣泛。日本學(xué)者早在1967 年就對(duì)型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的破壞形式進(jìn)行了研究，其主要研究的變量是型鋼腹板的厚度和混凝土強(qiáng)度。美國(guó)學(xué)者對(duì)15 個(gè)組合結(jié)構(gòu)矩形梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力與擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明矩形截面的型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)具有更高的承載能力[1-3]。我國(guó)對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)最早是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入中國(guó)的，主要用于一些特殊工程，如橋梁和高層建筑。隨著國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展，中國(guó)的工程師和研究人員逐漸積累了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行了改進(jìn)和本土化研究，包括材料性能、構(gòu)造細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)規(guī)范的本土化調(diào)整。2001 年，我國(guó)頒布了《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138-2001）[9]，在該規(guī)程中，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)被定義為嵌入混凝土并配有一定數(shù)量的受力筋或箍筋的獨(dú)立結(jié)構(gòu)形式。自2016 年起正式實(shí)施的《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 138-2016）被確立為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]。21 世紀(jì)以來(lái)，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)開始在我國(guó)建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多高層建筑、大跨度橋梁、地鐵站等項(xiàng)目均采用該種結(jié)構(gòu)類型，并取得了顯著成就。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震特性、增加建筑物的可利用空間等特點(diǎn)，因此其成為了結(jié)構(gòu)體系中一個(gè)重要的發(fā)展方向，符合我國(guó)基本建設(shè)的國(guó)情[4-6]。國(guó)內(nèi)多所大學(xué)對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了廣泛而深入的試驗(yàn)和理論研究[7-8]。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和建筑業(yè)的快速發(fā)展，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在未來(lái)有望繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。它將在更多領(lǐng)域（包括住宅、商業(yè)和工業(yè)建筑）中發(fā)揮重要作用。

本文將以安徽省池州市某職業(yè)技術(shù)教育中心新建報(bào)告廳項(xiàng)目中的大跨度型鋼混凝土梁為例，對(duì)型鋼混凝土梁的受力分析展開進(jìn)一步研究。

1 工程概況

本工程為安徽省池州市某職教中心新建的實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目，建筑占地面積1793.37m2，建筑總面積5539.25m2。本工程分為南北兩部分，北側(cè)實(shí)訓(xùn)樓部分為框架結(jié)構(gòu)，南側(cè)報(bào)告廳中間有3 跨大跨度結(jié)構(gòu)，該報(bào)告廳的建筑平面布置示意圖如圖1 所示[11]，根據(jù)每個(gè)房間建筑功能的不同進(jìn)行樓面恒、活荷載的設(shè)計(jì)，梁、墻柱節(jié)點(diǎn)及樓面荷載（活荷載）如圖2 所示。報(bào)告廳中間有3 跨大跨度結(jié)構(gòu)，擬使用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式。其中大跨度橫梁混凝土部分的截面尺寸為650mm×1300mm，保護(hù)層厚度為25mm，擬使用C30 標(biāo)號(hào)的混凝土。梁內(nèi)部型鋼尺寸為H300mm×1000mm×22mm×30mm，材質(zhì)為Q235 鋼，梁的計(jì)算跨度為21.8m?？v筋使用直徑28mm 的HRB400 鋼筋，箍筋和拉筋使用直徑8mm 的HRB400 鋼筋，間距為300mm，布置方式如圖3 所示，截面配筋率約為1.5%。

圖1 建筑平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 梁墻柱節(jié)點(diǎn)及樓面荷載（活荷載）平面圖（單位：kN/m2）

圖3 鋼筋布置方式（單位：mm）

依據(jù)設(shè)計(jì)要求和型鋼混凝土梁的尺寸，抽取其中1 跨型鋼混凝土梁建立數(shù)值模型，依據(jù)有限元分析結(jié)果說(shuō)明設(shè)計(jì)方案的可行性。此外，為直觀展現(xiàn)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，下文補(bǔ)充了鋼筋混凝土梁與型鋼混凝土組合梁的有限元分析結(jié)果對(duì)比。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文使用ABAQUS 有限元分析軟件建立型鋼混凝土梁的有限元模型，混凝土及其內(nèi)置型鋼使用C3D8R 實(shí)體單元模擬，鋼筋使用T3D2 桁架單元模擬。為提高運(yùn)算速度，混凝土梁網(wǎng)格的近似全局尺寸設(shè)為0.2，沿長(zhǎng)度方向布置50個(gè)單元，累計(jì)1344 個(gè)單元，型鋼與鋼筋籠網(wǎng)格的近似全局尺寸設(shè)為0.05，累計(jì)57984個(gè)單元。

模型中，各部件相互作用關(guān)系主要有：型鋼及鋼筋籠內(nèi)置于混凝土中；實(shí)際工程中，拉筋焊接在型鋼梁腹板上，因此將拉筋端部與型鋼腹板的接觸設(shè)定為綁定；在梁的兩端截面形心位置分別設(shè)置參考點(diǎn)，將梁兩端整個(gè)截面分別與參考點(diǎn)耦合，耦合類型為運(yùn)動(dòng)耦合。

荷載及邊界條件主要有：在梁兩端的參考點(diǎn)位置分別施加完全約束與鉸接約束；對(duì)整個(gè)模型施加重力荷載；同時(shí)根據(jù)工程概況及樓面荷載（活荷載）平面圖，計(jì)算得出當(dāng)型鋼混凝土梁上表面承受132kPa 的壓強(qiáng)是符合實(shí)際工況的。建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

模型中，型鋼與鋼筋采用雙折線模型，密度為7580kg/m3，楊氏模量206GPa，泊松比0.3，屈服應(yīng)力為235MPa 與370MPa，對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)變分別為0 與0.032。針對(duì)混凝土部件，除輸入混凝土密度1950kg/m3、楊氏模量2950MPa 與泊松比0.2 等常規(guī)參數(shù)之外，還引入了混凝土的損傷塑性模型，主要參數(shù)為膨脹角38、偏心率0.1、fb0/fc0=1.16、K=0.667、粘性參數(shù)1e-5。同時(shí)考慮了混凝土壓縮與拉伸的損傷，在受壓行為欄中輸入屈服應(yīng)力與非彈性應(yīng)變的關(guān)系曲線。子選項(xiàng)壓縮損傷中，輸入損傷參數(shù)與非彈性應(yīng)變參數(shù)，拉伸恢復(fù)設(shè)定為0，具體數(shù)值見(jiàn)表1。按照同樣的方式進(jìn)行拉伸損傷相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，壓縮復(fù)原設(shè)定為1[12]，其余數(shù)值見(jiàn)表2。

表1 混凝土壓縮損傷行為的參數(shù)設(shè)置

表2 混凝土拉伸損傷行為的參數(shù)設(shè)置

2.2 分析結(jié)果

圖5是型鋼混凝土梁在該設(shè)計(jì)要求下的位移云圖，由圖可知，當(dāng)樓面荷載、活荷載以及梁自重施加在模型上時(shí)，梁的最大撓度僅為30mm，梁底部跨中位置的撓度最大，但其值遠(yuǎn)低于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）中l(wèi)0/300 的要求。按照已有的型鋼梁截面尺寸、配筋方案進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完全合理，能夠滿足建筑的使用要求。

圖5 型鋼混凝土梁位移云圖（單位：m）

圖6（a）、圖6（b）分別為梁的內(nèi)部型鋼與鋼筋籠的應(yīng)力云圖，由圖可知，鋼筋與型鋼承受的最大應(yīng)力分別為240MPa、180MPa，位置處于梁固定端端上表面處，型鋼與鋼筋籠仍處于安全工作狀態(tài)。為直觀反映型鋼與鋼筋的受力情況，輸出其等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6（c）所示，等效塑性應(yīng)變可直觀反映各部件是否屈服、是否已產(chǎn)生塑性變形。由圖可知，最大塑性應(yīng)變僅為5.1e-5，型鋼梁及鋼筋基本無(wú)塑性變形，型鋼及鋼筋仍處于彈性變形階段，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力合理，基本無(wú)損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 內(nèi)部型鋼與鋼筋應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

為反映型鋼混凝土梁外部混凝土的損傷情況，將混凝土的受拉損傷與受壓損傷云圖導(dǎo)出，如圖7、圖8 所示。損傷因子可用于表征材料的損傷程度，其值介于0與1之間，0表示結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，1表示結(jié)構(gòu)完全損傷。由圖可知，混凝土受拉有損傷，損傷因子最大為0.91，損傷位置發(fā)生在固定約束端上部混凝土處，損傷位置不大；梁跨中混凝土下部也有損傷，雖區(qū)域較廣，但觀察梁跨中位置橫截面的損傷云圖可以發(fā)現(xiàn)，混凝土僅有局部損傷，而且結(jié)合混凝土抗壓承載能力遠(yuǎn)超其抗拉承載能力的受力特點(diǎn)，可以判斷出該損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響十分有限。

圖7 混凝土拉伸損傷云圖

圖8 混凝土壓縮損傷云圖

混凝土受壓有極其輕微的損傷，損傷因子最大為0.06，損傷程度極小。損傷云圖及梁跨中位置橫截面的損傷云圖如圖8所示。

在前文的有限元計(jì)算中，未必能直觀地感受到型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，因此補(bǔ)充了關(guān)于鋼筋混凝土梁的有限元分析結(jié)果。取出型鋼保持其他參數(shù)不變，鋼筋混凝土梁在該荷載條件下會(huì)破壞導(dǎo)致計(jì)算中斷。故在原混凝土梁尺寸及內(nèi)部配筋不變、約束不變的情況下，分別計(jì)算僅受重力荷載時(shí)，采用型鋼混凝土和鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)形式的梁的受力與變形情況，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 型鋼梁與混凝土梁計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖可知，型鋼混凝土梁內(nèi)部型鋼能有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力，減小結(jié)構(gòu)變形；型鋼混凝土結(jié)構(gòu)受力更加合理，型鋼的存在可極大程度地降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋所受應(yīng)力，杜絕縱筋被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文基于安徽池州某報(bào)告廳項(xiàng)目，使用ABAQUS 通用有限元分析軟件建立21.8m的型鋼混凝土梁有限元分析模型，分析了在原定設(shè)計(jì)方案下型鋼混凝土梁的受力與變形情況，得出以下三個(gè)結(jié)論。

①報(bào)告廳設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，使用型鋼混凝土梁作為21.8m 的大跨度梁是合理的，該尺寸下的型鋼混凝土梁內(nèi)部鋼筋型鋼無(wú)塑性變形，外部混凝土有部分會(huì)產(chǎn)生拉伸損傷，但并不影響結(jié)構(gòu)安全，梁的最大撓度僅為30mm，完全符合規(guī)范要求。

②和普通的鋼筋混凝土梁相比，型鋼混凝土梁具備更高的結(jié)構(gòu)抗彎承載能力，尤其適用于大跨度梁的設(shè)計(jì)與建造。

③在設(shè)計(jì)型鋼混凝土梁時(shí)，除跨中位置需關(guān)注外，梁柱節(jié)點(diǎn)處的約束方式也同樣值得深入研究。本文梁端的約束方式為一端固定、一端鉸接，梁固定端受力特征是符合圣維南原理的，梁端局部受力較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮。