锈蚀栓钉的钢—混凝土组合梁静力特性数值分析★

余报楚 王国栋

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023; 2.大连理工大学海岸与近海国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

锈蚀栓钉的钢—混凝土组合梁静力特性数值分析★

余报楚1,2王国栋1

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023; 2.大连理工大学海岸与近海国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

运用有限元软件ANSYS分别建立考虑滑移与抛起效应的两种三维组合梁的有限元模型，与石卫华博士的试验结果对比，验证有限元模型的准确性，计算结果表明：随着栓钉锈蚀率的增加，两种组合梁的承载力和延性均下降，其中完全抗剪组合梁承载力退化与部分抗剪组合梁性能退化较慢，但是延性下降较快。

组合梁，锈蚀栓钉，静力特性，有限元

2007年8月1日，由于腐蚀和疲劳作用美国一座上承式钢桁架组合梁桥瞬间倒塌。为此，对栓钉锈蚀后的组合梁力学特性的变化的研究就十分的必要，也是土木工程目前迫切需要解决的一大难题[1]。目前，对栓钉锈蚀后组合梁力学性能的研究，主要是中南大学的余志武教授和其学生进行了氯离子侵入组合梁的路径研究和加速锈蚀的试验方法研究栓钉锈蚀后的力学性质，以及组合梁力学性能的变化。浙江大学吴麟、金伟良运用物理试验和数值分析两种方法研究组合梁荷载滑移、荷载挠度曲线退化规律。中南大学的余志武、石卫华，基于抗弯承载力极限状态,提出了同时考虑栓钉锈蚀与荷载效应时变的钢—混凝土组合梁时变可靠度分析方法[2-4]。

数值分析是借助有限元分析结构的一种有效的方法，关键是选取合适的设计参数、本构关系和建立合理的有限元模型。本文采用此方法对栓钉锈蚀后组合梁的静力特性进行分析。

1 组合梁有限元模型

1.1 试验方案[1]

钢—混凝土组合梁参数见图1，C55混凝土板跨度为1 700 mm,纵向配筋为4Φ10，配筋率为0.445%，横向配筋为Φ6@100，配筋率为0.7%;H型钢梁尺寸跨度为1 800 mm;栓钉型号为M16×70 mm，按两种剪力连接程度，模型一为单排，间距为75 mm，连接程度为0.686；模型二设置双排栓钉，间距为100 mm，连接程度为1.029。加载采用对两端简支组合梁跨中通过分配梁两点对称集中加载，纯曲弯段为400 mm,剪跨段为600 mm。

材料参数见表1，试验方案见图1。

表1 材料参数表

1.2 有限元模型[5，6]

选用Solid65模拟混凝土板，Shell43模拟型钢梁，Beam188模拟栓杆，Combin39模拟混凝土板与钢梁的连接作用，加载块用Solid45模拟。网格尺寸为：混凝土板单元0.025 m×0.012 5 m×0.017 m,钢梁单元0.025 m×0.125 m，加载块单元0.025 m×0.012 5 m×0.012 5 m，施加约束为一端约束X,Y,Z自由度，另一端约束Y,Z自由度，加载块与混凝土板三个方向自由度耦合对数为144对。其中，模型一的弹簧单元数63个，总单元数18 751个；模型二的弹簧单元数为96个，总单元数为18 790个。为防止混凝土板侧翻，耦合钢梁与混凝土重合的其他节点竖直方向自由度，按上面方案中施加荷载，进行分析。有限元模型见图2。

模拟栓钉作用的弹簧单元的实常数选择是分析关键，选择石卫华博士统计回归的模型，由于竖向栓钉刚度较大，均匀锈蚀下对竖向的荷载—位移曲线影响不作考虑：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ——栓钉的均匀锈蚀率,%；

EC——高强混凝土的弹性模量；

fu——高强混凝土的轴向抗压强度；

fcu——高强混凝土的标准抗压强度；

fu,st——栓钉的极限抗压强度；

Ast——栓钉的截面面积；

L——栓钉的纵向间距；

S——滑移量或抛起量；

N——竖向抗拔力；

P——抗剪承载力。

不同锈蚀率的P—S曲线如图3，图4所示。

本文计算结果与石卫华博士所做试验结果对比，如表2，表3所示。

表2 模型一结果对比

表3 模型二结果对比

表2，表3中，Myt，δyt分别为钢梁的下翼缘屈服时的弯矩和挠度，Mut，δut分别为混凝土板破坏时的弯矩和挠度，“—”代表未做此组试验。

从表2，表3对比可知,本文采用的有限元方法计算的组合梁的跨中弯矩比试验较小，挠度比试验较大,主要是未考虑钢梁与混凝土板之间的摩擦力和初期时生成的铁锈的填充作用，但两者差率均小于5%，故可以进行后续的分析。

2 结果分析[7，8]

2.1 组合梁锈蚀后延性

考察锈蚀后静力作用下组合梁的延性发生如何变化，有两个指标：极限状态下挠度与跨中弯矩和屈服状态下挠度与跨中弯矩之比，如图5，图6所示。

分析可知，随着栓钉锈蚀率的增加，组合梁极限状态与屈服状态下挠度和跨中弯矩之比减小，是由于栓钉锈蚀后钢梁与混凝土之间的连接程度减弱，并且生成的锈蚀物的膨胀使得混凝土开裂，降低了组合梁承受荷载的能力和延性。模型二与模型一相比，部分抗剪组合梁的延性较高，但是随着锈蚀率增加下降也较快。

2.2 组合梁锈蚀后滑移与抛起

滑移现象和抛起现象是组合梁力学性能的一个侧面反映，也是不同于钢筋混凝土梁的特有现象，二者在组合梁上的分布情况如图7～图10所示。

从模型一、二滑移可以看出,部分抗剪组合梁与完全抗剪组合梁相比，滑移值明显大，并且随着栓钉锈蚀率的增加，受影响也较大，但是滑移的分布较均匀。抛起值约为滑移的1/10，模型一的抛起值大于模型二的，随着锈蚀率的增加，抛起值都增大，增加的速度模型一也大于模型二。

2.3 荷载—挠度曲线分析

组合梁的荷载—挠度曲线如图11所示，可以看出未锈蚀和锈蚀率3.3%的曲线差别很小，只是跨中最大挠度的不同。当锈蚀率大于6%之后组合梁荷载—位移下降较为明显，承载能力下降。与部分抗剪组合梁相比，完全抗剪组合梁的延性较低，但随着锈蚀率的增加延性下降较慢。

2.4 组合梁刚度分析

分析不同锈蚀程度下的组合梁的抗弯刚度变化曲线如图12所示，可以看出本文计算的抗弯刚度与文献[1]的试验计算的抗弯刚度有一定的差别，主要是由于未考虑到混凝土板与钢梁间的摩擦力和锈蚀物的填充作用造成的，但是总体可以反映出抗弯刚度随着锈蚀率的增加而减小。三条曲线都可以看出当锈蚀率大于6%，以后刚度的下降较为明显。

3 结语

通过与石卫华博士的试验对比，分析有限元计算结果，可以得出以下结论：

1)分析不同跨中挠度、弯矩比曲线。

合适的部分抗剪组合梁的延性和极限承载力要好于完全抗剪组合梁；随着栓钉锈蚀率的增加，两种组合梁的延性均降低。

2)分析组合梁滑移和抛起曲线图。

部分抗剪组合梁的滑移分布要较完全抗剪组合梁分布均匀；随着栓钉锈蚀率的增加，滑移和抛起值都增加；随着组合梁施加荷载的增加，滑移和抛起最值的向梁端移动。

3)分析荷载—位移曲线和刚度曲线。

随着锈蚀率的增加，组合梁的承受荷载的能力以及抗弯刚度都下降；完全抗剪组合梁的抗弯刚度要高于部分抗剪组合梁的抗弯刚度。

[1] 石卫华.考虑耐久性的钢—混凝土组合梁结构力学性能研究及可靠性分析[D].长沙：中南大学，2013.

[2] 龚匡晖.氯离子作用下钢—混凝土组合梁的耐久性研究[D].长沙：中南大学,2009.

[3] 陈丽芝.干湿循环作用下氯离子对钢—混凝土组合梁的侵蚀及损伤演变[D].长沙：中南大学,2011.

[4] 吴 麟.栓钉锈蚀钢—混凝土组合梁性能试验研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[5] Eurocode4. Design of Composite Steel and Concrete Structures, Part2: Bridges,1996.

[6] D. Lam,E. El-Lobody.Finite element modeling of headed stud shear connectors in steel-concrete composite beam[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(1):96-107.

[7] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8] 杨哲光.工字型钢—混凝土组合梁受弯性能数值分析[J].建筑结构，2013，4(3)：29-30.

Numerical analysis on static properties of corrosion stud steel-concrete composite beam★

Yu Baochu1,2Wang Guodong1

(1.CollegeofOcean&CivilEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116023,China;2.Coast&CoastalNationalLab,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The paper applies finite element software ANSYS and respectively establishes two sets of tri-dimensional composite beam finite element models by taking slipping and throwing effect into consideration, compares it with doctor Shiweihua’s experimental result, and testifies the accuracy of finite element model. The calculation results show that: with the stud corrosion rate increasing, the bearing capacity and ductility of two sets of composite beams reduces, in addition, the bearing capacity of completely shearing-resisting composite beam and partial shearing-resisting composite beam reduce more slowly, but their ductility reduces faster.

composite beam, corrosion stud, static properties, finite element

2015-04-10★：大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金(项目编号：LP1412)

余报楚(1974- )，男，硕士生导师，副教授； 王国栋(1987- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)17-0013-03

TU375

A