内置部分中空钢箱-混凝土组合梁承载能力数值分析

李世平,王钧



内置部分中空钢箱-混凝土组合梁承载能力数值分析

李世平,王钧

东北林业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040

针对传统内置钢箱-混凝土组合梁受拉区混凝土未能充分发挥作用且增加了梁自重的缺点，本文设计一种新型内置部分中空钢箱-混凝土梁，基于6根新型内置钢箱-混凝土组合梁受弯性能的非线性研究，分析了其受力过程、承载能力和变形性能等。结果表明:内置部分中空钢箱-混凝土梁可充分发挥钢与混凝土各自的力学性能，具有良好的承载能力和抗变形性能。梁构件正截面承载力可采用基于平截面假定方式设计计算，为工程实践提供依据的同时，也为大尺度预应力型钢-混凝土梁更广泛的技术应用提供设计参考。

内置部分中空钢箱-混凝土梁; 承载力; 刚度; 数值分析

1 引言

1.1 现有钢-混凝土组合结构优势及其存在的不足

现有钢-混凝土组合结构按其受力特性可以分为两大类，即以受弯为主的梁结构形式和以受压为主的柱结构形式，前者主要包括型钢-混凝土板叠合式组合梁和型钢-混凝土组合梁；后者常见的组合结构形式主要有钢管混凝土组合柱；型钢-混凝土板叠合式组合梁具有自重轻，承载能力高，构件高度小等特点，在既有建筑中应用较为普遍[1,2]；但当构件受弯时，混凝土板承受栓钉挤压的同时，局部横向拉应力增大，易使混凝土产生纵向裂缝，同时，由于混凝土与型钢粘结滑移效应的影响，剪力连接件的使用易使结构设计复杂化[3]；型钢-混凝土组合梁具有承载力高，强度、延性和耗能能力强等特点[4]，但当构件受弯时，中性轴以下部分混凝土不能够充分发挥受压作用，造成材料不必要的浪费的同时，也增加了梁结构自重。

钢管混凝土结构应用在受压结构中具有良好的组合结构性能，钢管对混凝土的套箍效应能够明显提高混凝土强度，从而增强了构件的承载能能力[5,6]。但由于混凝土抗拉性能较差，受拉区不能充分地发挥混凝土作用，应用在梁构件中不能充分地发挥其组合结构优势。

1.2 新型部分中空钢箱-混凝土组合梁的提出

基于国内外学者对上述组合结构形式的研究与分析，提出新型部分中空钢箱-混凝土组合梁，它在充分地发挥两类组合结构优势的同时又能有效地避免其不足，具体截面形式如图1所示。内置部分中空钢箱-混凝土梁，即用同等强度的钢板将钢箱分为上下两室，上室灌注混凝土，下室中空；根据受力合理设计钢板隔板位置，使其上室内混凝土完全处于受压区，下室中空，从而减轻结构自重。由于钢箱对混凝土套箍效应的影响，上室内混凝土处于三向受压状态，从而更好地发挥混凝土的抗压性能，提高梁构件的承载能力。

目前国内外学者对于钢箱-混凝土组合梁构件进行了大量的研究，主要有郑文忠、谢恒燕对内置钢箱-混凝土简支组合梁受力性能的研究[7]，研究结果表明此类梁构件可通过引入折减系数的方法来考虑正截面受弯承载力计算，同时提出裂缝宽度与刚度计算公式；莫时旭、舒小娟等对部分充填式钢箱-混凝土组合梁承载能力、刚度和变形性能进行了研究[8-12]，研究结果表明钢箱与混凝土能够良好地共同工作，受力过程基本满足平截面假定，提出了此类组合梁构件正截面强度设计理论。然而，对于部分中空钢箱-混凝土梁构件的研究还未见相关报道，目前我国尚缺少针对此类组合梁构件的相应的设计规范或规程，因此对部分中空钢箱-混凝土梁构件承载性能的研究与分析是十分必要的。

图 1 新型部分中空钢箱-混凝土组合梁仿真模拟模型结构图

为了进一步探讨部分中空钢箱-混凝土梁的受力性能，采用数值分析的方法建立上述4根部分中空仿真模拟梁构件和2根全部中空仿真模拟梁构件的三维仿真模型，对部分中空钢箱-混凝土梁受弯承载能力进行研究，探讨部分中空钢箱-混凝土梁弯曲性能和变形规律，为新型部分中空钢箱-混凝土梁构件的推广应用提供理论依据。

2 试验梁参数设计与模型分析

2.1 试件设计

设计6根钢箱-混凝土组合梁试件其中4个部分中空钢箱-混凝土组合梁构件和2个全部中空钢箱-混凝土组合梁，采用C30混凝土，纵向钢筋采用HRB400级钢筋，直径为20 mm。箍筋采用HPB300级，直径为10 mm。试件截面尺寸均为×=300 mm×600 mm，纵筋保护层厚度均为30 mm。为保证试件梁的弯曲破坏，剪跨段进行箍筋加密。用同等强度的钢板作为水平隔板，将钢箱分为上下双室，上部箱室用同等强度的混凝土填充，梁体支座附近全截面填充同等强度的混凝土，以提高梁的抗剪和局部承压能力，截面配筋及参数如图2所示，详细设计参数见表1。

图 2 试件配筋与截面（单位：mm）

表 1 试件参数

注：1. PHSCB: Partially hollow steel box concrete beam; EHSCB: Entire hollow steel box concrete beam；2. 型钢含钢量=A/0。

Note: 1. The meaning of PHSCB is partially hollow steel box concrete beam; The meaning of EHSCB is entire hollow steel box concrete beam. 2. Steel content of section steel:.=A/0.

2.2 混凝土本构关系模型

此模型能够有效地反映钢箱对混凝土的约束作用，模型适用范围广。对于钢箱外围“非核心”区混凝土采用聂建国教授提出的本构关系模型[15]。

2.3 仿真模拟梁数值模型的建立

采用数值分析软件ABAQUS对仿真模拟梁模型进行非线性分析。分析计算时，混凝土与钢筋采用不同的单元类型，混凝土采用C3D8R六面体减缩单元，纵筋和箍筋采用T3D2桁架单元。钢材采用满足Von Mises屈服准则的等向弹塑性模型，混凝土采用塑性损伤模型。

数值分析时网格划分的疏密程度对计算结果的精确性影响很大，综合计算成本与分析精度两方面因素，考虑如图3（a）中所示的网格划分方案，所建模型透视图如图3（b）中所示。

图 3 有限元模型网格图与透视图

3 数值仿真模型所得结果与分析

3.1 纯弯段中性轴应变变化规律与挠度特征分析

图4为PHSCB-2梁构件在6个不同荷载情况下沿梁高应变分布图，图中每一条曲线代表着不同荷载下沿梁高应变分布。当荷载小于300kN时，应变沿梁高分布规律符合平截面假定，随着荷载的增加，沿梁高度的应变分布规律与平截面假定开始出现偏差，当荷载达到600 kN时，沿梁高应变分布偏差较大，但总体而言，应力-应变分布规律基本上仍符合平截面假定。

图4 PHSCB-2跨中沿梁高应变分布图

图5 模拟梁荷载-位移关系曲线

Fig.5 Curves of the load and displacement relation of the simulated beam

3.2 数值仿真模拟结果与对比

图5为所得4根新型部分中空钢箱-混凝土组合梁与2根全部中空钢箱-混凝土组合梁构件荷载-挠度曲线。根据图5并结合表2中所得仿真模拟梁构件分析结果可以看出，随着荷载的增加，新型部分中空钢箱-混凝土组合梁承载能力稍有下降后又缓慢上升，直至达到极限承载能力。分析原因主要是由于钢箱外围混凝土达到极限承载力后其承载能力下降，而上部箱室内混凝土由于钢箱对填充混凝土套箍效应的影响，极限抗压强度提高，钢箱外部混凝土与上室内混凝土发生应力重分布后仍可继续承载，直至上部箱室内混凝土达到极限强度。

新型部分中空钢箱-混凝土梁与全部中空钢箱-混凝土梁的荷载-挠度曲线如图5中所示。由图5可知，在钢箱上室内填充混凝土后，构件承载能力、刚度和延性性能都得到了明显的提升，由于上部箱室对混凝土套箍效应，使混凝土处于三向受压状态，混凝土抗压性能提高显著，构件承载力增强。由表2可知，部分中空钢箱-混凝土组合梁比全部中空钢箱-混凝土组合梁极限承载能力提高31.69%；相对全部中空钢箱-混凝土梁，新型部分中空钢箱-混凝土梁达到极限承载力后，弯矩-挠度曲线有较好的平缓区段，表现出良好的延性性能。采用Q460高强钢箱比Q345普通钢箱所做构件承载能力提高28.2%，因此在同等承载力条件下，采用高强钢能够明显地提高构件承载能力，减小截面尺寸，降低结构自重的效果。

表 2 模拟梁数值分析结果

4 结论

通过ABAQUS分析平台对新型部分中空钢箱-混凝土梁构件进行仿真模拟分析，在此基础上与全部中空钢箱-混凝土梁构件进行了比较，得出以下结论：

（1）新型部分中空钢箱-混凝土梁构件加载过程中，梁变形基本符合平截面假定，工程应用新型部分中空钢箱-混凝土梁时可按梁基本理论进行设计；

（2）新型部分中空钢箱-混凝土梁加载过程中，由于上部箱室型钢对填充混凝土套箍效应的影响，使得内部填充的混凝土处于三向受压状态，强度提高，弯矩-挠度曲线有较好的平缓区段，表现出良好的延性性能；

（3）在其它参数相同条件下，新型部分中空钢箱-混凝土梁与全部中空钢箱-混凝土梁进行了对比，结果表明：新型部分中空钢箱-混凝土梁承载能力、刚度和延性性能都得到了明显的提升，其中承载能力提高31.69%；采用Q460高强钢箱与Q345普通钢箱所做构件承载能力提高28.2%。

[1] 王兵,尤洪旭,刘晓.高温后型钢再生混凝土梁受弯研究[J].工程力学,2018,35(S1):161-165

[2] 杨勇,薛亦聪,于云龙,等.部分预制装配型钢混凝土梁受力性能试验研究[J].土木工程学报,2018,51(4):1-9

[3] 聂建国,王洪全.钢-混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究[J].建筑结构学报,1997,18(2):13-19

[4] 解恒燕,郑文忠.内置钢箱-混凝土连续组合梁受力性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(2):186-192

[5] 盛叶,赖成火,黄文金,等.不同截面形式钢管混凝土压弯柱受力性能试验研究[J].建筑结构学报,2017,38(S1):278-284

[6] 牛海成,曹万林,董宏英,等.钢管高强再生混凝土柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(6):128-136

[7] 解恒燕,郑文忠.内置钢箱—混凝土简支组合梁受力性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(2):37-42

[8] 羊海林,莫时旭,郑艳,等.部分充填混凝土窄幅钢箱组合梁抗弯承载力[J].广西大学学报:自然科学版,2015,40(1):11-18

[9] 舒小娟,钟新谷,沈明燕,等.钢箱-混凝土组合梁初步设计与应用[J].土木工程学报,2011,44(S1):8-16

[10] 莫时旭,赵剑光,胥海宁.部分充填式钢箱-混凝土组合梁的负弯矩区裂缝宽度[J].华侨大学学报:自然科学版,2016,37(3):352-357

[11] 钟新谷,舒小娟,沈明燕,等.钢箱-混凝土组合梁弯曲性能试验研究[J].建筑结构学报,2006,27(1):71-76

[12] 李兴科,莫时旭,郑艳,等.部分充填钢箱—混凝土组合梁变形计算[J].广西大学学报:自然科学版,2015,40(2):298-306

[13] 钟善桐.圆、八边、正方与矩形钢管混凝土轴心受压性能的连续性[J].建筑钢结构进展,2004,6(2):14-22

[14] 韩林海,陶忠.方钢管混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究[J].土木工程学报,2001,34(2):17-25

[15] 聂建国,王宇航.ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J].工程力学,2013,30(4):59-67

Numerical Analysis of Bearing Capacity of the Internal Partial Hollow Steel Box -Concrete Composite Beam

LI Shi-ping, WANG Jun

150040,

In view of some defects that a traditional internal box - concrete composite beam does not enough play a fole and increase by self-weight, this paper designed a new type internal partial hollow steel box - concrete beam to analyze the stress process,bearing capacity and deformation performance based on the nonlinearity of the bending performances of 6 new typeinternal steel box-concrete composite beams. The results showed that this kind of newtype internal hollow steel box - concrete composite beam could respectively present every performance and had good bearing and deformation resistance performances. The bearing capacity of the normal section could be designedbased on the assumption of plane section, which could give a base for project execution, at the same time give a reference for more extensive application in large scale stress steel - concrete composite beam.

Internal partial built-in hollow steel box - concrete beam; bearing capacity; stiffness; numerical analysis

TU378.2;TU398

A

1000-2324(2018)06-1032-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.025

2018-03-20

2018-05-29

黑龙江省博士后科研启动基金项目(LBH-Q15011)

李世平(1989-),男,硕士研究生,主要从事预应力混凝土梁构件、组合结构研究. E-mail:spl_ping@163.com