内置H 型钢预应力混凝土组合大梁有限元分析

徐 强

(深圳中铁二局工程有限公司，广东深圳 518000)

0 引言

伴随着建筑工程市场的蓬勃发展，混凝土受压和钢筋受拉的独特材料力学性能(钢筋的力学性能利于降低混凝土截面过大而导致的自身裂缝，混凝土的力学性能利于降低钢筋受腐、防火等要求)，两者优势互补，使钢筋混凝土结构广泛应用于房建、地铁、市政等工程，另钢筋混凝土结构根据建筑结构不同使用功能，不同结构型式共分为组合框架柱、组合梁、组合楼板以及其他组合节点类型。

与此同时，钢筋混凝土的广泛应用，衍生出一种新的内置H型钢预应力钢筋混凝土结构，它在钢筋混凝土的基础内增设一道H型钢，在钢筋混凝土良好的受力结构基础上，增大其承载力和良好的抗震能力，使其具备高强度、高刚度、抗变形能力强、耐腐蚀、抗高温等诸多优势，大大提高了框架梁跨度和截面尺寸。特别是超高层建筑中应用极为广泛。本文组合梁进行三维非线性有限元分析，研究组合大梁受力过程中应力应变变化特点、传力机理，试图为该构件设计和承载力试验提供参考。

1 试件概况

为了考察型钢骨架和预应力对钢筋混凝土大梁受力性能的影响，分析时设计了L1，L2，L3共3个试件。其中L1为普通钢筋混凝土大梁，L2为内置H型钢的钢筋混凝土大梁，L3为内置H型钢并施加预应力的钢筋混凝土大梁。上述各构件中，混凝土等级均为C35，试件中的纵向受力钢筋、腰筋均采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋，钢构架采用Q235碳素结构钢，预应力钢绞线采用1860级高效低松弛钢绞线，预估有效预应力值为1 118 N/mm2。各试件详细的几何尺寸及配筋方式如表1和图1所示。

表1 内置H型钢钢骨预应力混凝土大梁配筋及参数设置表

2 模型建立

2.1 Abaqus预应力模拟

在通用有限元软件Abaqus中，通常模拟对结构施加预应力的方法主要有:降温法、初始应力法以及rebar施加初始应力法。

图1 试件L1~L3模型详图

2.1.1 降温法

降温法其工作机理就是通过设置材料的线膨胀系数，并对预应力钢绞线进行降温，从而达到施加预应力的目的，所施加的温度荷载可以通过下式求得:

其中，T为施加的温度;EP为预应力钢绞线的弹性模量;α为材料的线膨胀系数;A为预应力钢绞线的面积;NP为预应力施加值。

2.1.2 初始应力法

初始应力法与降温法相类似，只是形式上有所不同，作用的预应力效应是一致的。初始应力法即在预应力钢筋上施加初始预应力。直接用*Initialconditions，type=stress可以直接模拟先张法。

2.1.3 rebar施加初始应力法

rebar施加初始应力法与上述两种方法不同，钢筋不是由杆单元模拟，而是通过创建一个具有钢筋属性的几何面，网格划分时选取几何面的单元种类为surface，然后通过关键词Initial conditions及prestress hold进行实现。

降温法操作简便，故本文采用该方法进行模拟。由于型钢表面设置了很多抗剪栓钉，型钢与混凝土的滑移较小，所以本文直接将普通钢筋、型钢骨架以及预应力钢绞线用embedded嵌入混凝土中，不考虑与混凝土之间的粘结滑移。

2.2 材料本构选取

图2，图3中，fpu—预应力筋极限抗拉强度;εpu—极限抗拉应变;f0.2—预应力筋条件屈服强度;ε0.2—条件屈服应变;fe—预应力筋弹性应力极限;εe—弹性应变极限;fy—非预应力筋的屈服强度;εy—屈服应变。

普通钢筋及型钢采用双折线模型，不考虑钢材的强化。体外预应力筋采用三折线的本构模型，见图2，图3。

图2 普通钢筋本构模型

图3 预应力钢筋本构模型

混凝土采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范中的本构模型。混凝土的泊松比 μ取 0.2，C35混凝土抗压强度为33.8 N/mm2，弹性模量按 Ec=3.15 ×104N/mm2取值。

分析时取HRB235钢筋及Q235钢材屈服强度为235 N/mm2，HPB335钢材屈服强度为335 N/mm2。

2.3 单元类型选取与划分

混凝土部分采用八节点减缩积分格式的三维实体单元C3D8R，型钢采用4节点壳单元S4R，普通钢筋及预应力钢绞线采用两节点线性三维空间桁架单元T3D2。分析时采用结构化网格划分技术，对模型进行单元划分(见图4)。

图4 钢—混凝土组合梁Abaqus模型图

2.4 边界条件及加载方式

约束两个角支座Y，Z方向线位移，并约束其中一段的X方向线位移。在梁跨中左右侧0.8 m位置处施加集中荷载，采用位移加载模式(U= －0.03 m)。

3 Abaqus模型结果分析

以下通过模型L3的计算结果为例分析内置钢骨预应力混凝土大梁的受力性能。

由图5可知，该钢—混凝土组合大梁在对称荷载作用下变形较为对称，且支座与加载点间相对变形较大，两加载点间梁剪力为0，相邻截面间构件相对变形不大。

3.1 混凝土大梁应力分析

在梁顶对称竖向荷载作用下，混凝土应力分布左右对称，且在支座与两加载垫块之间的区域应力最大，而其他位置处的应力较小。由图6可见，大梁混凝土压应力分布呈“八”字形，即加载点和支座间应力较大，若构件中钢骨架位置按此形式布置，则更为合理。这也为本内置H型钢钢骨预应力混凝土大梁优化设计提供参考。

图5 荷载4 839 kN（位移30 mm）时钢—混凝土组合大梁变形图

图6 荷载4 839 kN（位移30 mm）时混凝土压应力云图

同时，两加载点间混凝土压应力较大，说明结构破坏时，梁顶跨中混凝土部分将被压碎。

3.2 H型钢骨架应力分析

H型钢骨架可分担钢—混凝土大梁较多内力，且荷载作用下，钢骨应力分布较为对称均匀，支座与加载点间应力较大，局部区域应力值较小，如顶部梁跨中位置(见图7)。

图7 荷载4 839 kN（位移30 mm）时H型钢应力云图

3.3 普通钢筋应力分析

普通钢筋应力图如图8所示，从图8中可看出荷载作用下普通钢筋应力总体较小，钢骨架屈服后钢筋应力分布仍基本对称，说明结构破坏不会首先出现在构件某一侧。

图8 荷载4 839 kN（位移30 mm）时普通钢筋应力云图

3.4 荷载位移曲线对比

从梁荷载—位移曲线可以看出，该内置钢骨型钢预应力混凝土大梁具有很好的延性，钢骨架和预应力的设置是合理的。

由图9对比可知，内置型钢的钢骨混凝土大梁(L2)最大承载力达到5 168 kN，而同等截面普通钢筋混凝土梁(L1)则只有1 348 kN，说明钢筋混凝土结构可通过设置钢骨大大提高其承载能力，满足结构构件的使用要求。

由图10可知，试件L1，L2的屈服荷载几乎相当，这主要是因为L1，L2的破坏都是由钢骨架屈服引起的，故预应力的大小对梁的屈服荷载影响较小;但L1的刚度要比L2稍大，体现了预应力可以减小跨中挠度及裂缝的作用。

图9 构件L1和L2荷载位移曲线对比

图10 构件L2和L3荷载位移曲线对比

4 结语

钢筋混凝土+内置H型钢钢骨架的模式，均有高刚度、高强度、高性能、高承载力、同时又具备良好的塑性，良好的抗震性能，可避免脆性破坏形态。本文利用Abaqus软件对模型L1～L3钢筋混凝土大梁进行承载能力分析，通过不同参数间比较，可得到如下结论:

1)对于大跨度或转换结构，在普通钢筋混凝土构件中内置型钢骨架，利用刚—混凝土共同受力，可大大提高其承载能力。

2)在构件中施加预应力可以减小荷载作用下构件挠度，延缓裂缝出现时间，但对构件承载力几乎无任何作用。