双工字钢型钢混凝土转换梁抗剪性能非线性分析*

王 磊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设计研究院, 西安 710043)

0 引 言

近几年,随着我国桥梁与地铁交通建设的蓬勃发展,越来越多的城市开始修建地铁工程。由于城市中公路交通流量大且建筑密集,使得交通轨道沿线的建筑物及市政工程严重影响新建地铁工程的施工,不可避免地产生干扰,甚至产生较为严重的烂尾、浪费资源的现象。因此,为适应时代的发展,将城市轨道交通与市政工程或者已有建筑物进行合体建造迫在眉睫。目前,国内外以现有的技术采用多种地铁站桥结合形式[1-2],例如站台分离式、高架桥门式桥墩与站桥同位合建式等,其中将市政桥梁及城市轨道交通作为整体结构设计,可以有效解决城市主干道交通堵塞等问题,取得了良好效果,具有广阔的应用前景。

由于合建体结构中桥梁上部荷载通过承载转换梁在车站内部传递,由于较大的集中荷载,导致车站结构变形、强度破坏和不均匀沉降等现象;另外,地铁车站属于在发生地震灾害时不能停止使用功能并且需要快速恢复的重要公共建筑。因此,地铁车站结构体系应具备抗侧刚度高、抗震性能优越、韧性好等特点。近年来,组合结构在国内外工程中应用广泛,尤其在建筑、城市政桥梁等方面,取得了显著的经济效益[3-4]。为满足站桥合建结构的跨度和空间要求,在已有施工技术的基础上,提出一种新型地铁车站双工字钢型钢混凝土转换梁的组合结构形式,以期用于地铁车站与桥梁合建体承台中。该组合转换梁融合了钢材与钢筋混凝土各自优势,具有承载力高和变形能力好等优点。因此,对于有跨度和使用空间要求的地下结构来说,钢与混凝土组合结构成为比较理想的结构形式选择[5-7]。

拟在双工字钢型钢混凝土转换梁抗剪性能试验的基础上,采用ABAQUS有限元软件对转换梁进行非线性分析,获取该转换梁的变形图、应力云图、荷载-位移曲线及主要荷载特征值等,分析该转换梁的抗剪性能及破坏机理,并将模拟结果与试验结果进行对比。在此基础上,拓展分析设计参数对转换梁受剪性能的影响规律,深入研究转换梁的非线性受力行为,研究结果可为双工字钢型钢混凝土转换梁的研究应用提供一定参考。

1 试验研究概况

以型钢配钢率、剪跨比、截面形式等设计参数为变量,制作了5根双工字钢型钢混凝土转换梁的缩尺模型,设计参数见表1。试件尺寸及整体示意如图1所示,图2为转换梁横截面详图及配筋。试验采用C40再生混凝土,纵筋为HRB400,箍筋为HPB300,型钢钢材为Q235,钢材及混凝土的力学性能指标如表2和表3所示。采用500 t电液伺服压力机对双工字钢型钢混凝土转换梁进行受剪性能试验加载,如图3所示。首先进行预加载,随后卸载为零,以校正加载仪器;然后采用位移控制进行正式加载,达到峰值荷载前加载速度为0.5 mm/min,峰值荷载后以1 mm/min的速度加载,直到试件破坏或不能继续承载时,停止试验加载。

图1 试件几何形状及尺寸 mm

图2 试件的截面配筋 mm

a—试验加载装置示意; b—部分试件的加载现场。

表1 双工字钢型钢混凝土转换梁试件的设计参数

表2 钢材的力学性能指标

表3 混凝土的基本力学性能

2 转换梁数值模型的建立

在数值计算分析中,选取合适的钢材与混凝土材料本构对有限元计算结果的准确性具有重要的影响,因此在进行转换梁试件的有限元模拟时,需要选择合理的钢材及混凝土的本构模型,并根据试件试验相关参数建立双工字钢型钢混凝土转化梁的有限元模型。

2.1 混凝土的本构关系

1)混凝土的受压应力-应变关系。

国内外对混凝土的受压应力-应变关系研究较为深入[8-9],取得了众多研究成果。为便于分析,本文采用《混凝土结构设计规范》[10]建议的混凝土单轴受压应力-应变曲线,公式如下:

xc≤1 (1a)

xc>1 (1b)

σc=(1-dc)Ecεc

(1c)

其中ρc=fc,r/(Ecεc,r)
n=Ecεc,r/(Ecεc,r-fc,r)
xc=ε/εc,r

式中:dc为混凝土的受压损伤参数;αc为曲线下降段参数;fc,r为混凝土的抗压强度设计值;εc,r为与fc,r对应的峰值压应变;Ec为混凝土的弹性模量;σc为混凝土的抗压强度;εc为与σc对应的压应变。

2)混凝土的受拉应力-应变关系。

本文混凝土的受拉本构采用《混凝土结构设计规范》[10]给定的混凝土受拉应力-应变模型,如下:

dt=1-ρt(1.2-0.2xt)

xt≤1 (2a)

xt>1 (2b)

σt=(1-dt)Ecεt

(2c)

其中ρt=ft,r/Ecεt,r
xt=ε/εt,r

式中:dt为混凝土的受拉损伤参数;αt为曲线下降段参数;ft,r为混凝土的抗拉强度设计值;εt,r为与ft,r对应的峰值拉应变;σt为混凝土的抗拉强度;εt为与σt对应的拉应变。

3)混凝土的破坏准则。

基于双工字钢型钢混凝土转换梁的受力特点,本文采用Ottosen[11]提出的数学模型作为混凝土的破坏准则,该模型破坏曲面的形状符合混凝土破坏包络面的特点,表达式为:

(3a)

(3b)

式中:a和b反映子午线的形状;k1和k2分别确定包络线的尺寸和形状;fc为单轴抗压强度;I1、J2分别为应力不变量。

2.2 钢材本构

针对Q235低碳钢的力学特点,本文选取塑性计算模型[12-13]来模拟钢材,结合钢材的材性试验数据,可以确定模型的相关参数,表达式如下:

(4)

式中:εe=0.8fy/Es,εe1=1.5εe,εe2=10εe1,εe3=100εe1;Es为钢材的弹性模量,强化段时弹性模量可取0.01Es。

2.3 单元选取及网格划分

在进行转化梁数值模拟分析时,为了保证结果的计算精度和效率,型钢、混凝土均采用C3D8R实体单元,而纵筋及箍筋采用T3D2单元,转换梁的网格划分如图4所示。

a—混凝土; b—型钢。

2.4 材料相互作用与加载方式

本文模拟中忽略钢筋骨架与混凝土之间的黏结滑移,采用Embedded方式将钢筋骨架内嵌入混凝土。此外,由于型钢与混凝土之间未设置栓钉等构造措施,故考虑型钢与混凝土两者之间的滑移效应,通过设置法向行为和切向行为进行模拟,采用库仑摩擦模型以模拟界面之间的滑移,界面临界剪切应力与法向压力之间的表达式如下:

τcrit=μ×P≥τbond

(5)

式中:τcrit为临界剪切应力;P为截面法向压力;τbond为平均剪切应力;μ为摩擦系数,根据文献[14-15],本文取μ为0.6。

本文数值模型的边界条件及荷载施加均与试验情况保持一致,转换梁加载点的上方设参考点RP-1与试件表面耦合,在参考点RP-1上施加位移;左右支座两端分别设置RP-2、RP-3两个参考点,与试件下方支点进行耦合,以避免产生应力集中的现象。支座的边界条件设置为铰接约束,如图5所示。本文采用迭代法对转换梁数值模型进行求解,具有效率高、精确度高等优点。

a—参考点耦合; b—荷载与边界条件设置。

3 有限元计算结果分析

3.1 应力云图

对上述双工字钢型钢混凝土转换梁有限元模型进行数值模拟,可得到该转换梁的应力云图。图6和图7列举了转换梁ISRCTB-2试件的应力云图,可知转换梁的计算变形图与试验变形具有一定的相似性,整体呈现典型的剪切斜压破坏形态。加载初期,转换梁整体变形和各组成部分应力均随荷载的增加呈线性增长;随着荷载的增加,转换梁整体变形较小;当荷载加载至峰值荷载的20%左右时,转换梁的跨中底部首次出现竖向裂缝;随后荷载继续增大,转换梁不断出现新的裂缝,且原有竖向裂缝逐渐发展为斜裂缝;当荷载加载至峰值荷载的80%左右时,竖向裂缝基本出齐,转换梁的腹剪斜裂缝开始向加载点和左右支座发展并形成主斜裂缝;达到峰值荷载后,与斜裂缝相交的箍筋进入屈服阶段,且在剪跨段内的型钢腹板和跨中下翼缘的最大应力达到306 MPa,逐渐达到屈服强度;随着转换梁的继续加载,转换梁受荷集中处的混凝土和支撑部位的混凝土出现斜向压碎现象,呈现剪压破坏特征;由于转换梁内部型钢的存在,试件承载力在峰值后并没有大幅度的下降,最终主斜裂缝基本贯通而且宽度最大可达5 mm,转换梁发生破坏,试验加载结束。

a—开裂荷载(25%Pu); b—屈服荷载(80%Pu); c—峰值荷载(Pu); d—极限荷载(85%Pu)。

3.2 计算曲线与试验曲线的比较

采用ABAQUS软件对双工字钢型钢混凝土转换梁进行数值分析,可得转换梁的荷载-位移曲线,并与试验进行对比,如图8所示。转换梁特征值有限元计算值与试验值的对比结果见表4。

a—ISRCTB-1; b—ISRCTB-2; c—ISRCTB-3; d—ISRCTB-4; e—ISRCTB-5。

表4 转换梁的计算结果与试验结果对比

由图8和表4可知,转化梁峰值荷载的计算值与试验值之比均值为0.96,最大误差为8.01%,吻合程度较好,但大部分试件的峰值荷载及位移均大于试验结果,而屈服位移比试验结果要小,说明转换梁的数值计算刚度偏大。主要原因可能为:转换

梁模拟采用材料均为假定的均匀理想材料,与实际情况具有差异;另外,建模过程中未考虑钢筋和混凝土之间的黏结滑移,这也会造成少许偏差。总体上来看,转换梁有限元模拟的荷载-位移曲线与试验曲线吻合较好,验证了数值模型的准确性,表明本文建立的双工字钢型钢混凝土转换梁数值模型具有较好的模拟结果,可为双工字钢型钢混凝土转换梁的非线性行为研究提供参考。

4 参数扩展分析

为进一步探究设计参数对双工字钢型钢混凝土转换梁抗剪性能的影响规律,利用ABAQUS软件对双工字钢型钢混凝土转换梁进行参数拓展非线性分析,以期为该转换梁的工程设计提供参考。参数扩展分析以试件ISRCTB-2为对照组,图9为设计参数对双工字钢型钢混凝土转换梁荷载-位移曲线的影响规律。

a—混凝土强度; b—型钢配钢率; c—型钢强度; d—纵筋配筋率; e—配箍率; f—纵筋强度。

1)由图9a可知,混凝土强度等级不同,但是转换梁的荷载-位移曲线表现出的变化趋势大致相似。加载初期,曲线呈现出直线上升趋势,但混凝土强度越高,曲线初始段斜率越大,构件的初始刚度越大。混凝土强度从C30提升到C70,试件承载力提高了11.18%,但曲线下降段更为显著。显然,提高混凝土强度可在一定程度上增加转换梁的抗剪能

力,但会降低其延性,故混凝土的强度等级不宜过高。

2)由图9b可知,加载初期,随着配钢率的增加,曲线的上升段斜率更大,说明双工字型钢对内部混凝土具有较强的约束;配钢率越大的试件,其承载力及峰值位移越大;当试件的配钢率从5.41%增大至10.29%,试件的承载力提高了57.67%,说明试件内部型钢配钢率对提高转换梁的抗剪性能效果显著。但是,配钢率越大,造成施工复杂且经济投入较大,建议配钢率在5%～10%之间较为合理。

3)由图9c可知,达到屈服荷载后,在相同位移的情况下,型钢强度为Q355的转换梁承载力开始明显的提高;当荷载继续增大时,转换梁的承载力随着型钢强度的增加而得到了较大提高,型钢强度从Q235提升至Q355,转换梁的承载力提高了27.7%,而型钢强度从Q355提升至Q420,转换梁的峰值荷载提升了11.64%。另外,随着型钢强度的增加,曲线下降段更为平缓,即改善了转换梁的延性。

4)由图9d可知,加载初期,在不同纵筋配筋率的条件下,模型初始刚度变化不大;转换梁的峰值荷载随着配筋率的增加而逐渐增大,配筋率为2.18%的转换梁相比于配筋率为1.27%的转换梁,承载力提高了12.9%,主要是因为转换梁的纵筋和箍筋共同发挥对混凝土的约束作用,提升了转换梁的抗剪承载力,说明增大配筋率对提高转换梁的抗剪性能具有较好的效果。

5)由图9e可知,加载前期,配箍率的变化对转换梁的荷载-位移曲线基本没有影响;当荷载达到1 500 kN左右时,荷载-位移曲线开始出现差异,曲线的斜率随着配箍率的增大而增大,即配箍率越大,转换梁的初始刚度越大;当达到峰值荷载时,与配箍率0.213%的转换梁相比,配箍率为0.952%的转换梁承载力提高了9.51%,其承载力随着配箍率的增大而提高,说明提高配箍率对于提高转换梁的承载力是有利的。

6)由图9f可知,在不同纵筋强度条件下,转换梁的荷载-位移曲线变化趋势较接近;随着荷载的增大,各转换梁的峰值荷载和变形能力出现一定的差异,纵筋强度从HRB300提升到HRB500,转换梁的承载力提高了5.4%,且转换梁的延性随着纵筋强度的提升而有所改善。

5 结 论

1)双工字钢型钢混凝土转换梁的受剪破坏过程可分为初裂、裂缝发展及破坏三个阶段,最终混凝土发生斜向剪切破坏,且型钢达到屈服强度,转换梁具有承载力高和较好的变形能力。

2)转换梁的数值计算曲线与试验曲线吻合较好,承载力计算值与试验值的相对误差在10%以内,说明本文建立的双工字钢型钢混凝土转换梁有限元模型可以较好地模拟其受剪性能。

3)转换梁试件的抗剪承载力随着型钢配钢率的提高而增加,最大增幅为16.83%,型钢的配置对混凝土具有良好的约束作用,可以显著提高转换梁的承载力和延性;当剪跨比从1.0增加到2.0时,转换梁的承载力下降了42.16%,但延性随着剪跨比的增大而得到一定的提高。

4)转换梁的抗剪承载力随着混凝土强度、型刚强度、纵筋配筋率、纵筋强度及配箍率的增大而有所提升;其中型钢强度对转换梁的承载力影响最大,当型钢强度从Q235增大至Q420,试件峰值荷载提升42.57%,且转换梁的延性变好。