钢板锚固长度数值分析

李佳跃++张会峰++张申

【摘 要】首先对型钢混凝土结构的构成以及优点进行了评述，其次介绍了有限元模型的单元类型，混凝土材料模型以及钢筋钢板材料模型。然后列举了钢板锚固长度有限元模型的具体尺寸。最后给出模型的加载结果，结合混凝土与钢板的应力云图，分别分析了在加载过程中混凝土与钢板的特点。通过 ABAQUS软件对已建立模型的数值模拟，进行一些数据处理，给出模型加载端的荷载-滑移曲线。

【关键词】型钢混凝土； ABAQUS应用； 应力应变

引言

型钢混凝土结构，是以型钢或用钢板焊接为钢骨架，并在周围配置钢筋以及内部浇筑混凝土的一种组合结构" （Steel Reinforeed Conerete ComPosite Structures）（简称SRC组合结构），具有延性大，耗能高的优点。由于在混凝土中主要配置的是型钢，使这两种不同性能的材料形成整体而共同受力、变形协调[1]，克服了以往钢筋混凝土的许多弱点，使结构的性能得到进一步的改善，同时型钢在混凝土的保护下也得到了充分的发挥”。

一、材料参数及模型尺寸

（一）单元类型

为了更好的模拟钢板与混凝土的粘结作用，通过查阅国内外有限元分析资料[2] 表明，混凝土单元采用六面体八节点单元（C3D8R），钢板采用六面体单元，钢筋采用三维二结点桁架单元 （ T3D2 ） 。

（二）材料模型

1.混凝土材料模型。

混凝土的单轴受压的应力-应变曲线采用江见鲸等给出的本构关系。在定义混凝土材料时根据给定数据点，利用一系列直线来平滑逼近塑性应力-应变关系。混凝土受拉开裂应变取，受压峰值应变取0. 002。混凝土在ABAQUS中的参数输入见表1。

当粘滞参数采用ABAQUS提供的缺省值时，计算的收敛性较差，根据参考文献[3]中的建议，取粘滞参数和剪涨角。

2.钢筋与钢板材料模型。

考虑钢筋与钢板的硬化，两者均采用双线性弹塑性材料，钢板弹性模量，钢筋的弹性模量，泊松比。屈服应变取0. 0016，极限应变取0. 025。

3.非线性弹簧单元。

为全面考虑型钢混凝土连接面上的相互作用，在ABAQUS有限元分析中，可以在型钢与混凝土连接面上的相应节点之间采用三个非线性弹簧单元单元来模拟型钢与混凝土之间的粘结-滑移现象，分别代表沿连接面法向、纵向切向和横向切向的相互作用[4]。

（三） 模型尺寸

型钢由两块厚钢板焊接组合而成，型钢的截面尺寸截面高度，翼缘厚度，腹板厚度，腹板高度，钢板长度，型钢混凝土试件中型钢的埋置长度均为，钢板上下各留，混凝土尺寸为。混凝土等级为，纵筋为4C10，箍筋为C8@100，钢板为。钢筋保护层为，钢板保护层为。

（四）加载制度设定及网格划分

在ABAQUS软件中采用分级加载，每级荷载6由小到大[5]，钢筋屈服或试件破坏时软件模拟加载结束。按软件要求给模型划分网格。

三、有限元模拟加载结果

（一）混凝土的应力应变

观察混凝土内部剖面的应力云图，可以发现混凝土产生应力的范围比较均匀，但是靠近钢板的中上部范围内有更大的应力，并且随着型钢锚固长度的增加，型钢混凝土的应力呈减小趋势，超过一定长度后，型钢混凝土应力云图出现很小的压应力，表明此处的粘结己基本不起作用了。此外，还可以看出越靠近加载端，随着锚固长度的增加，粘结应力降低比较明显。

混凝土在中上部应力较小，反而在中下部尤其是推出端应力分布范围大，应力值大。原因是在混凝土中上部粘结力的化学胶结力和摩擦阻力部分已经达到最大值，剩下的粘结力应该由型钢表面粗糙不平所产生的机械咬合力提供。

（二）钢板的应力应变

钢板的云图与混凝土的云图有很大的不同，钢板的应力分布更明显，而且是对称分布，大小差别明显，从加载端到推出端依次减小，加载端应力最大达到，与混凝土接触的推出端应力仅仅。从增大粘结应力角度看，适当在钢板上设置连接件、端板在理论上应该效果明显。

四、模型的荷载-滑移曲线

图1为计算模型的加载端荷载与加载滑移的关系曲线。如图所示，加载初期，试件加载端发生滑移，滑移呈线性增长趋势。当荷载达到30%极限荷载时，加载端滑移开始非线性增长，位移达到。大约直至80%极限荷载时，加载端位移达到，自由端出现滑移，化学胶结力全部丧失。荷载继续增大，混凝土产生裂缝。随荷载增大，裂缝也沿着试件长度方向延伸，直至达到极限荷载。此后荷载陡然下降，滑移趋于稳定的残余值。观察荷载-滑移曲线的几个阶段，可以发现在位移达到最大位移之前，荷载也在逐渐增大，并且在位移最大时同时达到最大值。这个过程中化学胶结力和摩擦阻力起作用，在随后的滑移加大过程中，剩下的粘结力应该由型钢表面粗糙不平所产生的机械咬合力提供。所以適当的设置连接件或者端板，应该对提高钢板与混凝土的粘结作用效果明显。

参考文献：

[1]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.

[2]江见鲸，陆新征，叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京： 清华大学出版社，2005.

[3]赖少颖.考虑粘结滑移作用的钢筋混凝土梁柱节点数值分析[D].深圳： 深圳大学，2013.

[4]秦苗珺，赵芳慧，葛楠等.基于ABAQUS的钢板锚固长度对混凝土-钢板组合连梁抗震性能影响分析[J].工程抗震与加固改造，2015，37（5）：21-27.

[5]张亚.T型钢与混凝土粘结滑移性能的理论分析及ANSYS程序验证[D]；陕西：长安大学，2009.endprint