外包钢—混凝土组合梁负弯矩区承载力数值分析*

陈 欢，陈锐林，戴可以，任海龙，陆亚平

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

外包钢—混凝土组合梁负弯矩区承载力数值分析*

陈 欢，陈锐林，戴可以，任海龙，陆亚平

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

针对外包钢-混凝土组合梁负弯矩区抗弯承载力性能，利用ABAQUS6.12有限元软件对组合梁进行非线性有限元数值模拟.有限元结果与试验值对比结果吻合较好.利用该模型，分析外包钢-混凝土组合梁负弯矩变形机理，探讨了混凝土强度等级、抗剪连接件间距、钢材屈服强度等因素对组合梁负弯矩区承载力的影响，为工程设计提供依据. 关键词：组合梁；抗弯承载力；变参数；有限元分析

0 引 言

本文所用的外包钢-混凝土组合梁是在普通钢-混凝土组合梁基础上发展起来的新型构件，它是以较厚钢板为底板，腹板采用较薄的冷弯薄壁型钢，通过焊接连接形成U形截面，然后在U形截面内浇注混凝土，作为T形组合梁的肋部，翼缘板可为现浇楼板，钢与混凝土通过抗剪连接件共同工作.组合梁负弯矩区翼板由于受拉开裂，受拉区开裂混凝土退出工作，组合梁截面主要由钢梁和负弯矩区的钢筋和部分混凝土组成，截面刚度减小[1]，因此结构的承载能力极限状态往往由负弯矩区混凝土开裂后板内钢筋的屈服和钢梁的屈曲控制[2].在正常使用阶段，当混凝土板开裂后，会导致组合梁刚度降低，因此对组合梁负弯矩区的承载力研究就尤为重要.王庆利等[3]研究了传统设计方法[4～5]和规程设计方法，弥补了两种方法的不足，得出了合理的计算方法.陈世鸣等[6]对体外预应力组合梁进行了承载力试验研究，得出对组合梁负弯矩区施加预应力后，能有效提高截面的开裂弯矩.

为了进一步探讨外包钢-混凝土组合梁的负弯矩区组合效应抗弯承载力，合理进行外包钢-混凝土组合梁负弯矩区的裂缝控制[7]，深入开展对外包钢-混凝土组合梁负弯矩区抗弯承载力的分析研究，具有十分重要的理论意义和广阔的应用前景.利用ABAQUS有限元软件，建立了单跨倒置简支组合梁的非线性模型，并对其受力过程进行了非线性数值分析.研究了主要参数对组合梁受力性能的影响，为工程设计提供了参考.

1 有限元模型

1.1 实验概述

陈丽华[8]针对简支外包钢-混凝土组合梁和连续外包钢-混凝土组合梁进行了系列试验研究.本文选取其中两根简支梁试件作为研究对象，用来研究组合梁在负弯矩作用下的极限受弯承载力和刚度，为连续组合梁提供依据.试件的构造和参数如图1和表1所示.

表1 试件主要参数

图1 试验简支梁构造图

1.2 三维有限元模型

本文利用ABAQUS软件建立外包钢-混凝土组合梁有限元模型，如图2所示.外包钢-混凝土组合梁是由U形钢梁、混凝土梁、抗剪连接件、钢筋组成.其中U形钢梁侧板采取S4R四节点有限薄膜应变线性减缩单元；U形钢梁底板和混凝土梁选取三维八节点线性缩减积分单元C3D8R；抗剪连接件采用有阻尼器和弹簧组成的 AXIAL 单元来模拟；梁内纵筋采取三维2节点桁架单元T3D2；混凝土和钢梁的连接采用MERGE命令结合在一起，还利用摩擦接触PENALTY(罚函数)摩擦公式定义了钢梁与混凝土之间的接触属性.

图2 组合梁有限元模型

2 外包钢-混凝土组合梁数值模拟

运用ABAQUS建立的三维有限元模型对试验进行了非线性数值模拟，计算得到了组合梁及组合梁跨中荷载—挠度曲线和极限承载力试验值与模拟值对比结果，分别如表2和图3所示.

外包钢-混凝土组合梁弹性工作阶段是从开始加载到外包钢梁底板开始屈服为止，此时组合梁整体工作性能好，荷载和跨中挠度变形呈线性增长.当荷载达到极限荷载的70%左右，钢梁底板开始屈服，而钢梁的其他部分都还处在弹性工作阶段，组合梁的试验值和非线性有限元模拟值吻合较好.

表2 主要试验值与模拟值对比结果

注：Py是外包钢组合梁底板达到屈服时的屈服荷载；Pu是试件达到破坏时所承受的最大荷载值；My、Mu分别为对应着荷载Py、Pu跨中截面的弯矩值；δy、δu分别对应着荷载Py、Pu跨中截面的挠度值.

图3 跨中荷载—挠度曲线试验值与有限元结果对比图

3 有限元参数分析

由于本文主要研究外包钢-混凝土组合梁负弯矩区的受力性能，本节选用带混凝土翼缘板模型SBD-5外包钢-混凝土组合梁为例，改变了模型中混凝土强度、剪力连接件间距及钢材屈服强度等参数，进行一系列变参数分析，分析了模型各种参数对外包钢-混凝土组合梁负弯矩区受力性能和跨中挠度-应力分布情况的影响.得到跨中荷载-挠度曲线如图4所示.

图4 各参数变化对组合梁荷载挠度曲线的影响

随着混凝土等级的增加，如图4(a)所示，组合梁的极限承载力有所增加，但幅度不大，当混凝土强度等级从C40提高到C50，其极限承载力仅提高了3%.在模型弹性工作阶段，外包钢-混凝土组合梁在负弯矩区段挠度值比较小，其中挠度变形受混凝土强度等级变化影响较大，随着组合梁模型进入弹塑性工作阶段之后，组合梁挠度变形随混凝土强度的增大而增加，并且增加幅度较大.

随着抗剪件间距的增加，如图4(b)所示，在模型弹性工作阶段，外包钢-混凝土组合梁在负弯矩区段挠度变形受到抗剪连接件间距变化影响比较小.抗剪连接件间距的对组合梁负弯矩区段抗弯承载力影响不大，但是要考虑滑移因素的影响.在加载初始阶段，采用不同抗剪连接件间距模型的跨中挠度变形相差很小，表明不同抗剪件间距的组合梁初始刚度相差不大；随着施加荷载的增大，抗剪连接件间距较大的模型其跨中挠度增加速度明显大于间距较小者，表明较大的抗剪连接件间距造成结构整体刚度在较高荷载作用下降低更为快速.虽然抗剪连接件间距大的组合梁承载力降低，但其同时具有较大的塑性变形能力，改善了结构的延性.抗剪连接件间距不同对承载能力极限状态下钢梁的跨中截面应力分布影响较小，对弹性阶段影响较大.

随着钢材屈服强度的增加，如图4(c)所示，组合梁的极限承载力有了大幅的增加.当钢材强度有235 MPa提高到420 MPa时，组合梁的极限承载力提高了20%，不同屈服强度等级的组合梁在弹性阶段荷载-挠度曲线重合，钢材屈服强度等级越低的组合梁越先进入弹塑性阶段且截面抗弯承载力越低.

4 结 论

针对外包钢-混凝土组合梁负弯矩区段的受力性能分析，本文利用有限元软件ABAQUS对组合梁负弯矩作用下受力过程进行了非线性数值分析，探讨了相关参数对其抗弯承载力性能的影响，得到如下结论：

(1)组合梁负弯矩区段混凝土翼缘因为较小的拉应力就开裂退出工作，虽然随着混凝土强度等级的增加负弯矩区的抗弯承载力有所增加但是幅度不大.考虑安全可靠和经济适用，建议选用C30～C40之间的混凝土；

(2)抗剪连接件间距的对组合梁负弯矩区段抗弯承载力影响不大，确保在一定抗剪连接程度下，抗剪连接件布置不宜过密，避免造成对混凝土的劈裂破坏，且增加了施工难度；在对挠度没有严格限制的情况下，也可适当降低抗剪连接程度以增加结构延性.

(3)提高钢材屈服强度能显著提高组合梁负弯矩区的抗弯承载力，但对负弯矩区抗弯刚度无明显影响；建议组合梁中采用强度等级高的钢材，可以获得较高的抗弯承载力，以达到节省钢材的目的.

[1] 樊建生，聂建国．负弯矩作用下考虑滑移效应的组合梁承载力分析[J]. 工程力学，2005，22(3)：177-182.

[2] 周期源. 冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁抗弯承载性能研究[D]. 南昌大学硕士学位论文，2006.

[3] 王庆利，张曰果，刘德清，张文颖. 钢-砼组合梁负弯矩区抗弯承载力的计算建议[J]．沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2004，20(2)：101-103.

[4] Johnson RP. Composite Structures of Steel and Concrete [M].London：Granada Publishing Ltd.， 1984.

[5] 王连广. 钢与混凝土组合结构理论与计算[M]. 北京：科学出版社，2005.

[6] 陈世鸣,孙森泉,张志彬. 体外预应力钢-混凝土组合梁负弯矩区的承载力研究[J]. 土木工程学报，2005，38(11)：14-21.

[7] 康习军，余志武，张询安. 钢-混凝土组合梁负弯矩裂缝非线性有限元模拟分析[J]. 长沙铁道学院学报，2003，21(1)：28-33.

[8] 陈丽华. 新型外包钢-混凝土连续组合梁及粱柱节点的实验研究[D]. 东南大学博士学位论文，2005.

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

陈 欢(1990—)，女，硕士研究生，研究方向：结构工程.

TU375

A

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