摘 要：為了保障高層建筑的安全性，在施工中廣泛應用大跨度的鋼混梁結構。為準確分析鋼混梁的力學性能，構建一種內剖面分析模型。在這種模型下，梁結構中的混凝土材料等效轉化為鋼材料，對其進行受力和變形分析，得到有關彎矩、撓度等力學性能指標的分析結果。采用ANSYS軟件對高層建筑中的大跨度鋼混梁進行有限元建模，并對裝配后承受載荷及對應變形進行分析。結果表明：增加鋼纖維的摻雜濃度，可以有效提高鋼混梁結構承受變形的能力，使高層建筑安全性更高。

關鍵詞：高層建筑；施工裝配；鋼混梁結構；性能測試

中圖分類號：TU 37" " 文獻標志碼：A

隨著城鎮(zhèn)化建設的跨越式發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大帶動了建筑工程領域的快速增長，高層住宅和大型商用建筑的數量也不斷增加[1]。受建筑規(guī)模和高度的影響，新建工程的安全性要求也更高。其中，梁是非常重要的結構，它是影響高層建筑和大型商用建筑安全的決定性因素[2]。從設計角度看，鋼梁和混凝土梁是兩種廣泛應用的梁，為了進一步提高梁的強度和抗壓性能，鋼混梁也成為一種有效的結構形態(tài)。這種結構形態(tài)，綜合了鋼梁和混凝土梁的特點，進一步提高了梁的力學性能、減少了其承重載荷下的變形。在設計圖紙的基礎上，鋼混梁經過施工裝配后，設計性能能否達到預期至關重要，須以科學的分析方法、數學模型、計算手段和測試試驗為依據加以論證[3]。本文以高層建筑中的大跨度梁的鋼混設計和施工裝配為研究對象，通過構建數學模型進行測試試驗，分析鋼混梁裝配后的力學性能，以期為建筑工程領域的同類項目提供參考。

1 構建高層建筑鋼混梁力學特性分析模型

在鋼結構和混凝土結構的基礎上，對鋼混組合梁的結構進行設計。將兩種結構組合在一起，以提高性能。在設計過程中，要根據工程項目的實際需求，對鋼混材料幾何結構層進行合理設計，通過調整相應參數，達到最佳的設計效果。在設計過程中，根據鋼混梁幾何結構，進行力學分析，是保證設計結果準確、可靠的關鍵。其中，截面設計方法是一種有效的手段。實際上，對高層建筑鋼混梁的力學分析來說，可以從整體構建力學模型，并根據施力和受力的均衡關系進行力學性能分析，找到鋼混梁整體的安全臨界點。但是這種方法的問題是無法發(fā)現鋼混梁可能出現問題的細節(jié)，無法預判或發(fā)現鋼混梁力學風險最可能發(fā)生的位置。因此，須對鋼混梁進行局部力學性能分析或內部剖析。針對這種情況，截面內剖法是最有效的手段，鋼混梁每個點位都可以實施截面處理，剖開截面就可以分析鋼混梁內部出現力學問題的原因和可能性，以此可以更直接準確地判定鋼混梁的力學安全情況，比整體分析法優(yōu)勢更明顯。

1.1 鋼混梁分析的內剖面模型

對高層住宅等大型建筑來說，隨著高度和建筑用料量的增加，梁結構的負荷也不斷增加。因此，構建鋼混梁是一種可以發(fā)揮二者優(yōu)勢，提高梁結構強度的有效方法。在鋼混梁的設計過程中，要通過力學性能分析保障設計結構的安全性。

在力學性能分析的過程中，要對鋼混梁結構進行準確建模。通常，鋼材和固結后的混凝土材料都是典型的剛性材料，不會發(fā)生塑性形變。為了簡化分析過程，可以進一步忽略兩種結構間的微小偏移，并將二者看成完全一致的統一體。同時，為了便于建模和力學分析，可以對鋼混梁和純鋼材的梁結構進行對標換算。對鋼混梁結構的力學分析由此演變?yōu)閷︿摿航Y構的力學分析。

為了獲得準確的分析結果，最佳方案是將混合梁沿徑向剖分，觀察其內剖面平面上的各種特征。對高層建筑來說，鋼混梁的徑向內剖面和純鋼梁的徑向內剖面，剛度特性和幾何特性間有一個對標的換算關系，如公式（1）所示。

（1）

式中：MCS為高層建筑中配置的混合梁的徑向內剖面的面積；MC為高層建筑中對標配置的純鋼梁的徑向內剖面的面積；KC為高層建筑中配置的混合梁的楊氏模量。

為了將彈性變形指標完全轉化為梁結構的幾何形變特征以便于后續(xù)分析，可以用梁結構的徑向距離代替楊氏模量，從而得到公式（2）。

（2）

式中：dSC為高層建筑中配置的混合梁的徑向內剖面中心軸線到剖面底部的距離；dC為高層建筑中對標配置的純鋼梁的徑向內剖面中心軸線到剖面底部的距離；dS為高層建筑中對標配置的混凝土梁的徑向內剖面中心軸線到剖面底部的距離；MCS為高層建筑中配置的混合梁的徑向內剖面的面積；MS為高層建筑中對標配置的混凝土梁的徑向內剖面的面積；M為對標計算后的內剖面面積。

1.2 內剖面模型下的力學特征分析

在高層建筑中，混合梁結構負責承壓，混凝土材料的力學性能要弱于鋼材料的力學性能。當載荷逐漸增加的過程中，混合梁中的混凝土材料會抗彎失效。而混凝土材料出現強度問題后，無論鋼材料是否安全，整個梁結構已經出現了問題。因此對混合梁的力學性能分析來說，要分析混凝土材料是否安全。在內剖面模型下，混凝土抗彎性能的檢測條件如公式（3）所示。

JC≤gCWC" " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：JC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料實際承受的彎矩；gC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料最大的抗壓強度；WC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料的抗彎截面系數。

按照同樣的方法，可以對混合梁中的鋼材料內剖面上的抗彎性能進行檢測，如公式（4）所示。

JS≤gSWS" " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：JS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料實際承受的彎矩；gS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料最大的抗壓強度；WS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料的抗彎截面系數。

基于上述分析，可以更具體地計算混合梁內剖面內一個點的受力情況。其中，混凝土材料在內剖面上某一點的法向力，計算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：FC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料某點的法向力；J為高層建筑中配置的混合梁整體所承受的彎矩；dC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料內剖面軸線到內剖析底部的距離；IC為高層建筑中配置的混合梁的混凝土材料所承受的慣性矩。

按照同樣的方法，可以對混合梁中的鋼材料在內剖面上某點的法向力進行計算，如公式（6）所示。

（6）

式中：FS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料某點的法向力；J為高層建筑中配置的混合梁整體所承受的彎矩；dS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料內剖面軸線到內剖析底部的距離；IS為高層建筑中配置的混合梁的鋼材料所承受的慣性矩。

2 高層建筑鋼混梁裝配后力學性能試驗結果與分析

通過研究工作，對高層建筑鋼筋混凝土混合的梁結構進行了原理性分析，并構建了內剖面分析模型和鋼混梁的力學性能分析手段。考慮高層建筑普遍采用大跨度梁，因此用ANSYS工具仿真一個大跨度鋼混梁的結構，如圖1所示。

從圖1的鋼混梁仿真模型可以看出，這是一個典型的大跨度梁，為達到有限元的分析效果，梁結構整體劃分成多個小單元，便于內部各種應力分析和變形分析。從截面形狀看，這個鋼混梁是一個典型的“T”形結構，因此每個徑向的內剖面也是“T”形結構。

從鋼混材料的構成情況來看，為了滿足高層建筑的安全性需求，采用了C50型混凝土、Q235結構鋼。這兩者組合形成了基本材料，也是試驗分析中的第二種材料。同時，為了同類材料的橫向對比，還在基本材料的基礎上配置了不同占比的鋼纖維，形成另外3種材料，這3種材料的鋼纖維的含量分別為0.5%、1.0%、1.5%。

確定試驗材料后，根據內剖面分析模型，分析混合梁裝配后可以承受的最大載荷及對應的撓度變形，試驗結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，橫坐標上的4個刻度分別對應基本材料、分別摻雜0.5%、1.0%、1.5%鋼纖維的材料。兩側的縱坐標分別對應最大載荷和對應的撓度。

根據圖中折線的變化情況，在鋼纖維的摻雜比例不同的情況下，鋼混材料可以承受的最大載荷相差不大。但是，還可以明顯看出鋼纖維的摻雜比例越高，鋼混梁可以承受的最大撓度越大、安全系數越高。摻雜0.5%鋼纖維的鋼混材料可以承受的最大撓度就比基本材料高出近25%，當鋼纖維的摻雜達到1.0%時，鋼混材料可以承受的最大撓度就比基本材料高出近80%。

在第一組試驗的基礎上，觀察不同材料撓度變化的空間范圍，分析結果如圖3所示。

從圖3中各條曲線的變化情況可以看出，在載荷作用的位置處都是最大撓度的發(fā)生位置。隨著距離載荷作用點的距離越來越遠，不同材料鋼混梁撓度逐漸降低。當距離增至左右0.5m的位置時，4種材料的鋼混梁撓度都降低。

考慮不同施工要求的情況下，對鋼混梁的強度要求會有所不同，也為了保障更高的安全性，鋼混材料采用不同型號的混凝土，分別形成C50混凝土+Q235結構鋼、C75混凝土+Q235結構鋼、C100混凝土+Q235結構鋼3種材料，用于鋼混梁結構的建造施工和裝配。對比這3種材料的最大變形，試驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出，混凝土型號越高、其強度越大、鋼混梁結構的安全性也越高。C100混凝土+Q235結構鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為15mm的變形。C75混凝土+Q235結構鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為14mm的變形。但相對C50混凝土+Q235結構鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為13mm的變形來說，提升效果并不是特別明顯。

因此，在可以滿足安全性要求的前提下，為降低建造成本、提高性價比，選用C50混凝土+Q235結構鋼材料建構鋼混梁，可以滿足高層建筑的要求。這3種材料的撓度變化范圍與圖3類似。

3 結論

隨著城市建筑的不斷升級，大型的高層建筑數量也不斷增加，對建筑工程領域的安全性提出了更高的要求。在影響高層建筑安全的諸多因素中，梁結構發(fā)揮著非常重要的作用。因此，本文針對高層建筑的大跨度混合梁結構進行了研究，構建了力學性能的分析模型，并對裝配后的混合梁結構進行性能測試。在研究過程中，從幾個關鍵參數的角度出發(fā)，構建了混合梁結構的內剖面分析模型，對混凝土材料轉換成鋼材料進行統一性分析，進而得到其變形和受力等情況的分析結果。在ANSYS平臺下進行研究，通過對比不同型號混凝土、鋼、鋼纖維形成的混合梁材料的性能，證實了鋼纖維摻雜濃度越高，對混合梁結構的最大變形承受能力提升幅度越大。

參考文獻

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[3]李立峰，王孝亮，馮威，等.考慮鋼梁應變強化的鋼-混組合梁抗彎承載力計算[J].鐵道科學與工程學報，2019，16（11）：2822-2831.