简支钢混组合箱梁界面相对滑移性能研究

于 广 龙

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

简支钢混组合箱梁界面相对滑移性能研究

于 广 龙

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究简支组合梁中钢梁与混凝土板之间界面的相对滑移，采用有限元软件ANSYS对某钢—混凝土组合箱梁进行有限元模拟，分析了荷载大小和混凝土强度对界面相对滑移的影响。研究表明：钢梁与混凝土板之间的相对滑移量随荷载的增大而增大；相对滑移量随混凝土强度的增大而略微减小。

组合梁，相对滑移，有限元，荷载，混凝土强度

1 概述

钢—混凝土组合结构是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上逐渐发展起来的一类新型结构形式[1-3]。随着钢混组合结构的广泛应用，对剪力连接件的研究也得到了快速地发展。孙文彬[4]通过对在部分剪力连接条件下的钢混组合梁的滑移性能进行系统研究,提出了钢混组合梁在满足强度与变形的前提下,采用部分剪力连接设计更加经济。江祥林等[5]通过对结构试件进行破坏试验，对破坏形式、极限承载力与滑移量进行研究，结果表明有贯通钢筋PBL剪力键结构试件的极限承载力高于无贯通钢筋PBL剪力键结构试件。田山坡[6]通过对比现有的规范和著作，介绍了目前对于剪力连接件计算方法的研究，提出在具体工程中满足结构安全性和耐久性的前提下，选取合适的计算方法。本文主要针对简支钢—混凝土组合箱梁进行有限元模拟，并分析剪力连接件的纵向滑移量与荷载大小和混凝土强度的关系。

2 有限元建模

2.1计算假定

采用有限单元法分析钢混组合梁时，为便于计算作出如下假定：混凝土和钢板的材料均为理想弹塑性，忽略混凝土的收缩徐变和材料非线性；板的承托面积忽略不计。

2.2算例简介

某等截面钢—混组合简支箱梁，上部混凝土翼板为C30混凝土，并配有构造钢筋，下部采用4 mm厚Q235钢板。钢梁与混凝土板之间采用栓钉连接，栓钉直径8 mm，长10 mm，栓钉沿两肋板分别分两列均匀布设，纵向间距100 mm。C30混凝土弹性模量Ec=3×104MPa，剪切模量G=0.81×105MPa。抗压强度设计值fc=14.3 MPa，泊松比为0.2。Q235钢的弹性模量Es=2.1×105MPa，抗拉强度设计值f=215 MPa，泊松比为0.3。梁总长3 000 mm，计算跨径2 900 mm，梁高160 mm，采用三分点加载方式。其他尺寸见图1。

2.3单元类型的选取

钢板选用Solid45单元模拟，Solid45单元是比较常用的八节点六面体实体单元，并且可退化成四面体或棱柱体，用于构建三维实体结构，材料参数为各项同性，该单元每个节点具有XYZ三个方向的自由度。单元包括大应变、大变形、应力强化、蠕变、塑性、膨胀等特殊性能。

混凝土板也选取Solid45单元模拟，ANSYS软件中具有专门描述混凝土压碎和开裂的Solid65单元，与Solid45单元较为相似，可以分析处理混凝土材料的非线性特征。但是本文分析的钢混组合梁的材料均假设为理想弹性体，不分析混凝土的开裂和压碎等非线性问题，因此本文选取Solid45单元来模拟混凝土板。

栓钉采用Link180桁架单元来模拟，每个节点具有三个自由度，分别沿XYZ方向的平动，单元具有苏醒、旋转、蠕变、大应变和大变形等功能。

2.4建立有限元模型

本文所分析的为等截面简支钢混组合梁，为缩短计算时间，建立一半模型，对称面施加对称约束。按照设计图纸和实际加载位置建立简支钢混组合箱梁模型，见图2。钢板选用理想的弹塑性本构模型，忽略下降段，其应力—应变关系如图3所示。

3 计算结果分析

钢混组合梁结构中，混凝土翼板与钢板相互之间的滑移，是二者沿梁纵向的相对移动，所以在ANSYS软件分析的结果中，通过读取栓钉单元上下相邻节点的纵向(Z方向)位移，以两节点的相对位移作为钢梁与混凝土板的相对滑移。

3.1相对滑移与荷载的关系

对简支钢—混凝土组合梁三分点位置施加大小不同的集中荷载，通过ANSYS有限元模型的分析计算，得出荷载大小对钢混组合梁的界面相对滑移的影响关系。

如图4所示为钢梁与混凝土板之间的相对滑移量与荷载大小的关系曲线。由图可知，相对滑移根据距跨中位置的不同而不同，相对滑移量随距跨中距离的增大而逐渐增大，而在接近梁端位置处滑移量最大且数值基本维持不变；由滑移分布曲线可得，除跨中位置以外，同一位置处的相对滑移量均随着荷载的增大而增大，基本呈正比例关系。

3.2相对滑移与混凝土强度的关系

在保持截面尺寸和荷载等条件不变的情况下，选取混凝土强度不同的钢混组合梁分别进行分析计算，本文中选取了三种不同的混凝土强度等级，分别为C30,C40和C50，对应的强度设计值与弹性模量见表1。

表1 混凝土的强度设计值和弹性模量

如图5所示为钢梁与混凝土板之间的相对滑移量与混凝土强度的关系曲线。由滑移分布曲线可知，除跨中位置以外，同一位置处的相对滑移量均随着混凝土强度的增大而减小，但减小量相对较小，可见混凝土强度对界面滑移的影响相对较小。

4 结语

通过对3 m简支钢—混凝土组合箱梁进行有限元模拟，分析荷载大小和混凝土强度对界面相对滑移的影响，得到结论如下：1)钢梁与混凝土板之间的相对滑移量随距跨中距离的增大而逐渐增大，在接近梁端位置处滑移量最大且数值基本维持不变。2)界面相对滑移量随着荷载的增大而增大，基本呈正比例关系。3)界面相对滑移量随着混凝土强度的增大而减小，但减小量较小，可见混凝土强度对界面滑移的影响相对较小。

[1] 聂建国,余志武.钢—混凝土组合梁在我国的研究及应用[J].土木工程学报,1999,32(2):3-8.

[2] 聂建国,周天然,秦 凯，等.预应力钢—混凝土组合梁的抗弯承载力研究[J].工业建筑,2003,33(12):1-5.

[3] 李 杰,张云龙,丛晓辉，等.钢—混凝土组合梁的研究现状与展望[J].吉林建筑大学学报,2016,33(6):19-24.

[4] 孙文彬.部分剪力连接钢—混凝土简支组合梁滑移性能研究[D].南京:河海大学,2000.

[5] 江祥林,陈一馨,舒 伟，等. PBL剪力键结构极限承载力及破坏形式研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014(9):1116-1121.

[6] 田山坡.钢混组合梁剪力连接件的计算方法研究[J].铁道工程学报,2014,31(8):56-61.

Studyonrelativeslipperformanceofsimplysupportedsteel-concretecompositeboxgirder

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the relative slip between the steel beam and the concrete slab in the composite beam, a finite element software ANSYS was used to simulate a steel-concrete composite box girder. The influence of the load value and the concrete strength on the relative slip of the interface is analyzed. The results show that the relative slip between the steel beam and the concrete slab increases with the increase of the load value. The relative slip decreases slightly with the increase of the concrete strength.

composite beams, relative slip, finite element, load, concrete strength

1009-6825(2017)29-0066-02

2017-08-01

于广龙(1989- )，男，助理工程师

U448.36

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