工字型钢_混凝土组合梁受弯性能数值分析.pdf

第 43 卷 第 7 期 2013 年 4 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 7 Apr． 2013 工字型钢-混凝土组合梁受弯性能数值分析 杨哲光 1， 2， 刘 忠 1， 2， 朱智俊1， 谭良斌1， 朱勇杰1 1 湘潭大学土木工程与力学学院，湘潭 411105;2 湘潭大学流变力学研究所，湘潭 411105 ［摘要］针对工字型钢-混凝土组合梁的受弯性能， 建立了三维有限元数值分析模型， 对试验全过程进行了非线性 数值模拟， 计算结果与试验数据吻合较好。利用该模型， 分析了工字型钢-混凝土组合梁的受力变形机理， 探讨了 钢梁强度等级、 混凝土强度等级、 钢梁腹板厚度、 混凝土板厚度及纵横向配筋率等对组合梁受弯性能的影响， 为工 程设计提供参考依据。 ［关键词］组合梁;受弯性能;界面滑移;有限元分析 中图分类号 TU398文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 07- 0077- 05 Numerical analysis on flexural behavior of I- shaped steel- concrete composite beams Yang Zheguang1， 2，Liu Zhong1， 2，Zhu Zhijun1，Tan Liangbin1，Zhu Yongjie1 1 College of Civil Engineering ＆ Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China; 2 Institute of Rheological，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China Abstract Three-dimensional model of I-shaped steel-concrete composite beams was established in order to research the flexural behavior of composite beams． The whole experiment process was simulated nonlinearly． Comparisons between the experiment analysis and calculated results showed good correlation． The force mechanism of I-shaped steel-concrete beams was analyzed． The effects of the main parameters，such as steel strength grade，concrete strength grade，steel webs thickness，concrete plate thickness and reinforcement ratio，on flexural behavior were analyzed by using the presented model． The results derived from analysis provide some useful references for engineering design． Keywords composite beam;flexural behavior;interface slip;finite element analysis 作者简介 杨哲光， 硕士研究生， Email503190396 qq． com。 0引言 工字型钢-混凝土组合梁是通过剪力连接件将 钢筋混凝土板与钢梁组合成整体， 共同受力、 协调变 形的一种新型组合结构。该组合梁具有承载力高、 刚度大、 截面小、 延性和抗震性能好等优点， 在大跨 度结构和高层房屋结构中被广泛使用 ［1- 3］。数值方 法模拟组合梁非线性在国内外均有大量尝试。Silva 等 ［4］建立了带有接触单元的有限元模型， 进行了组 合梁线性静力分析， 并重点研究了模型的收敛性和 滑移问题。Alessandro 等 ［5］建立了三种不同的有限 元模型， 来研究部分剪力连接组合梁在受弯或受弯 剪作用下的模拟效果。Chung K F 等 ［6］对高强材料 柔性剪力连接组合梁进行了数值模拟， 并针对抗弯 承载力进行了参数分析。吴礼华等 ［7］分析了高强 材料组合梁在不同截面不同材料强度组合下抗弯承 载力的有限元分析。 由于组合梁力学性能的复杂性， 传统的解析方 法很难全面了解其整个受力过程中的变形和内力， 另外， 目前钢结构设计规范 GB 500172003 尚 不完善。鉴于此， 为了揭示工字型钢-混凝土组合梁 的受力变形机理， 利用有限元软件 AYSYS， 建立了 三维有限元分析模型， 对破坏过程进行了非线性数 值模拟， 研究了主要参数对组合梁受弯性能的影响， 为工程设计提供了参考。 1工字型钢- 混凝土组合梁有限元模型 1. 1 试验概述 聂建国等人 ［8］针对高强工字型钢-混凝土组合 梁受弯性能进行了系列的试验研究。本文选取其中 的 4 根试件作为研究对象， 试件均是以栓钉为完全 剪力连接件的四点弯曲简支梁。试件的构造及基本 参数分别如图 1 和表 1 所示。 试件主要参数表 1 试件编号 fcu/MPaρst/ 栓钉 /mmnrfyf/MPafyw/MPa SCB36 SCB37 52. 53 62. 02 1. 66210 50 801. 41409. 8349. 3 SCB40 SCB41 50. 36 64. 48 1. 95210 50 801. 40435. 7501. 4 注 fcu为混凝土立方体抗压强度实测值; ρ st为混凝土板横向钢 筋的全截面配筋率; nr为界面纵向剪力连接程度; fyf， fyw分别为钢梁 翼缘、 腹板的屈服强度实测值。 1. 2 三维有限元模型 根据试验过程 ［8］， 建立了以钢梁左端下翼缘中 点为原点的 ANSYS 三维有限元数值分析模型， 如图 2 所示。钢筋混凝土板采用整体式建模， 钢梁两端 建筑结构2013 年 图 1试验组合梁构造图 支座处设加劲肋。混凝土板和工字型钢梁通过栓钉 连接， 因此， 划分网格时， 要保证混凝土板与钢梁之 间有对应的节点， 以便生成栓钉单元。模型中， 混凝 土采用三维 8 节点实体单元 Solid65， 该单元可同时 考虑混凝土的开裂和压碎; 钢梁采用三维 4 节点板 壳单 元 Shell43; 栓 钉 连 接 采 用 非 线 性 弹 簧 单 元 Combin39， 即在钢梁与混凝土板交界面上的栓钉位 置处所对应的节点， 沿 X 方向设置 Combin39 单元， 对 Y， Z 方向的自由度进行耦合， 于是， 每个节点沿 X 方向可发生滑移变形。在组合梁右端支座处节点， 施加 X， Y， Z 三个方向的位移约束; 在组合梁左端支 座处节点， 施加 Y， Z 方向的位移约束， 即一端固定， 一端铰接。将外荷载等效为节点荷载， 施加在组合 梁跨内对应位置处。 图 2有限元模型 钢梁、 钢筋、 加劲肋均采用双线性等向强化模型 BISO ， 采用 von Mises 屈服准则。本构关系选用 理想弹塑性模型， 弹性模量为 2. 06 105MPa; 泊松 比为 0. 3， 屈服强度根据实测值选取。 混凝土采用非线性弹性材料模型 MELAS 定 义， 破坏准则采用 Willan-Warnke 五参数破坏准则。 在混凝土单元特性参数表中， 取裂缝张开剪力传递 系数为 0. 5， 裂缝闭合剪力传递系数为 0. 95， 拉应力 释放系数取默认值 0. 6［9］。单轴应力下的普通混凝 土本构关系采用 Hognestad［10］建议表达式; 高强混 凝土本构关系采用李惠 ［11］通过试验曲线拟合得到 的关系曲线， 其数学表达式为 y 1． 115x 0． 26x2－ 0． 375x3 0 ≤ x ≤ 1 0． 498 x－1 1 ＜ x ≤ 4 { 1 式中 y σc /σ c0; x εc /ε c0 ; σ c ， ε c分别为混凝土的 应力和应变; σc0 ， ε c0分别为混凝土的峰值应力和峰 值应变。 栓钉是混凝土板与钢梁之间的连接件， 其纵向 荷载-滑移关系影响到钢-混凝土组合梁的组合效 应， 图 3 为试件 SCB36 对应的荷载-滑移曲线。本文 采用 Buttry［12］研究公式 Q Qu 80S 25． 4 80S 2 Qu 0． 43AsEcf 槡 c≤ 0． 7As γf us 3 式中 Q 为单个栓钉所受剪力; Qu为单个栓钉抗剪承 载力 ［13］; S 为滑移量; E c为混凝土弹性模量; fc为混 凝土轴心抗压强度; As为栓钉横截面面积; fus为栓钉 抗拉强度设计值; γ 为栓钉材料抗拉强度最小值与 屈服强度之比。 图 3栓钉的荷载-滑移关系 由于分析中考虑混凝土开裂和压碎、 钢梁的塑 性变形、 混凝土和钢梁之间的滑移效应， 因此， 本文 采用 Newton-Raphson 平衡迭代法， 荷载子步设为 150 步， 采用力加载， 位移收敛准则。打开大变形开 关和自动时间步长， 收敛容差设为 1. 5 ， 所有计算 均进行至程序不能收敛为止。 2工字型钢- 混凝土组合梁有限元数值模拟 利用本文所建立的三维有限元数值分析模型， 对试验全过程进行了非线性数值模拟， 计算得到组 合梁跨中弯矩-挠度 M-δ 曲线和极限承载力 Mu ， 分 别见图 4 和表 2， 计算结果与试验结果吻合较好。 试件 SCB41 跨中截面的纵向应变沿梁高分布 87 第 43 卷 第 7 期杨哲光， 等． 工字型钢-混凝土组合梁受弯性能数值分析 图 4M-δ 曲线计算值与试验值比较 如图 5 所示， 其中 Mu为极限弯矩。由图 5 得， 计算 结果和试验结果具有较好的一致性。跨中截面纵向 应变沿组合梁高近似呈线性分布， 进一步研究发现， 相邻截面纵向应变分布也有相同的规律， 由此可知， 截面平均应变基本满足平截面假定。 极限承载力计算值与试验值比较表 2 试件编号试验值 / kNm 计算值 / kNm计算值 /试验值 SCB36154. 1152. 90. 99 SCB37173. 1163. 60. 95 SCB40177. 5177. 81. 01 SCB41193. 4182. 40. 94 图 5试件 SCB41 跨中截面应变分布对比 综上所述， 本文所建立的工字型钢-混凝土组合 梁三维有限元数值分析模型是合理的。 以试件 SCB36 为例， 说明组合梁的受力机理。 图 6 给出了试件在不同受力阶段， 跨中截面的纵向 应力沿梁高分布曲线。研究发现， 加荷初期， 中和轴 位于钢梁内， 混凝土板全截面受压， 钢梁处于上部受 压下部受拉状态。混凝土板和钢梁的截面应力各自 大致呈线性分布， 组合梁处于弹性工作阶段。当弯 矩达到 0. 7Mu～ 0. 8Mu时， 中和轴上移至混凝土板 内， 钢梁进入全截面受拉状态， 钢梁的应力增长率加 快， 混凝土板底部开始出现横向裂纹， 并自下而上逐 渐发展， 进而混凝土板内相对受压区高度持续缩小， 截面内力发生重分布， 应力沿组合梁高呈明显的非 线性分布， 组合梁处于弹塑性工作阶段。到达极限 状态时， 混凝土板受压区达到极限抗压强度， 混凝土 板被压碎， 钢梁下翼缘和部分腹板屈服， 抗弯承载力 急剧下降。试件的破坏形态为典型的弯曲破坏， 以 跨中最大弯矩区的混凝土板压溃为承载力极限状态 标志。 图 6试件 SCB36 跨中截面应力分布曲线 图 7 给出了试件 SCB36 在不同受力阶段， 组合 梁挠度沿梁长的分布。由图可知， 挠度呈抛物线形 式分布， 最大值出现在跨中。变形发展过程可以分 为三个阶段， 即 弹性变形阶段 M≤0. 6Mu 、 弹塑 性变形阶段 0. 6Mu＜ M≤0. 9Mu 、 塑性变形阶段。 图 7试件 SCB36 挠度沿梁长分布曲线 图 8 给出了试件 SCB36 在不同受力阶段， 组合 梁交界面纵向水平滑移沿梁长的分布。该试件梁为 完全剪力连接组合梁， 栓钉沿梁长均匀分布。研究 发现， 水平滑移曲线以跨中呈现中心对称分布， 在该 点出现反弯点， 滑移值近似为零。最大水平滑移并 未发生在支座段， 而是发生在距跨中左右各 55cm 处， 这是由于梁长上栓钉布置与弯矩分布不协调， 引 97 建筑结构2013 年 起跨内水平滑移的变化， 使得峰值滑移的位置发生 改变。同时， 跨中区域的滑移曲线斜率较大， 滑移突 变较快， 而两端滑移变化较平缓。从加载过程分析， 在加荷初期， 滑移值较小， 发展缓慢。随着荷载的增 加， 滑移值不断增大， 当弯矩超过 0. 6Mu后， 水平滑 移发展速率明显加快。处于极限状态时， 交界面最 大水平滑移值仅为 0. 437mm， 这与完全剪力连接组 合梁受力特征相符。综合图 7、 图 8 发现， 组合梁整 体挠度变形与纵向水平滑移的发展过程相关， 有着 明显的较为一致的三个阶段。 图 8试件 SCB36 滑移沿梁长分布曲线 3有限元参数分析 以试件 SCB36 梁为参照梁， 分别探讨钢梁强度 等级、 混凝土强度等级、 钢梁腹板厚度、 混凝土板厚 度及纵横向配筋率等因素对组合梁受弯性能的影 响， 得到了组合梁跨中 M-δ 曲线随各参数的变化情 况， 如图 9 所示。 钢梁强度等级对组合梁的抗弯承载力影响较 大， 如图 9 a 所示。当钢梁强度由 235MPa 提高到 420MPa 时， 其抗弯承载力提高了 58. 8 。所以， 采 用高强钢， 组合梁的抗弯承载力得到了十分有效的 提升， 且增幅明显。 随着混凝土强度等级的增加， 如图 9 b 所示， 组合梁的抗弯承载力有一定程度的提高， 但并非呈 线性增长。当到达 C40 以后， 提高幅度较缓， 如混 凝土强度等级由 C40 提高到 C80 时， 其承载力仅提 高了 14. 1 。同时， 混凝土强度等级的增加， 对组 合梁在弹性工作阶段的刚度影响较小。此外， 组合 梁的延性也是随着混凝土强度等级的增大而提高， C60 时延性最优， 之后， 由于混凝土强度等级越高， 脆性越明显， 组合梁延性反而有所下降。所以， 工程 设计时， 宜选用适当强度等级的混凝土， 本文建议选 用 C40 ～ C60 强度等级混凝土。 随着钢梁腹板厚度的增加， 如图 9 c 所示， 组 合梁的抗弯承载力及刚度均有所增加， 尤其对于弹 图 9各参数变化对 M-δ 曲线的影响 08 第 43 卷 第 7 期杨哲光， 等． 工字型钢-混凝土组合梁受弯性能数值分析 性工作阶段的刚度影响较为明显。所以， 工程设计 时， 选用较厚钢梁腹板， 是有效提高组合梁抗弯承载 力的一种途径。 随着混凝土板厚度的增加， 如图 9 d 所示， 组 合梁的抗弯承载力及刚度均有所增加。其影响机理 是通过增大混凝土板的受压区高度来提高组合梁的 抗弯承载力。所以， 工程设计时， 选用较厚混凝土 板， 是有效提高组合梁抗弯承载力的一种途径。 混凝土板纵向配筋率的变化对组合梁的承载力 和刚度影响均很小， 如图 9 e 所示， 即通过增加混 凝土板纵筋配筋率来提高组合梁抗弯承载力不是十 分明显， 所以设计时满足构造要求即可。 增大混凝土板横向配筋率对组合梁的抗弯承载 力有一定程度的提高作用， 如图 9 f 所示。当配筋 率为 0. 3 时， 组合梁未进入塑性工作阶段即达到 极限状态。原因是当横向配筋率较低时， 栓钉周围 的混凝土在梁受弯过程中受到的约束程度较低， 在 栓钉的剪切力作用下发生纵向劈裂， 不能保证钢梁 和混凝土板共同工作直至达到强度极限状态， 从而 降低了组合梁的极限抗弯强度， 使组合梁在混凝土 达到抗压极限强度之前就发生了破坏。 4结论 针对工字型钢-混凝土组合梁的受弯性能， 利用 有限元软件 ANSYS， 对破坏过程进行了非线性数值 分析， 探讨了相关参数对其受弯性能的影响， 得到如 下结论 1 高强工字型钢-混凝土组合梁破坏形态为典 型的弯曲破坏， 有较好的延性。 2 高强钢用于组合梁， 具有较高的抗弯承载 力和优越的塑性变形能力。 3 提高混凝土的强度等级可以增大组合梁的 抗弯承载力及延性， 但影响程度随着混凝土强度的 进一步增加而减弱。兼顾到一定的经济性能， 在工 程设计时， 本文建议选用 C40 ～ C60 强度等级的混 凝土。 4 增大混凝土板厚度和钢梁腹板厚度， 均能 有效地提高组合梁的抗弯承载力。其中， 钢梁腹板 厚度的增大， 对提高组合梁在弹性工作阶段的刚度 较为明显。 5 混凝土板纵向配筋率对组合梁的抗弯承载 力和刚度的影响不显著， 设计时， 满足构造要求即 可。而增大横向配筋率对组合梁的极限承载力有一 定提高作用， 若不足 0. 3 ， 混凝土板首先发生纵向 劈裂破坏， 导致组合梁在混凝土板未达到抗压极限 强度时就发生了破坏， 从而无法利用组合梁的组合 效应， 设计时应避免。 参考文献 ［1］ 王连广． 钢-混凝土组合梁结构理论与计算［M］． 北 京 科学出版社， 2005． ［2］ 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- 7． ［3］ 付果． 考虑界面滑移及掀起影响的钢-混凝土组合梁 试验与 理 论 研 究［D］．西 安 西 安 建 筑 科 技 大 学， 2008． ［4］ AMILTON R DA SILVA，JOO BATISTA M SOUSA JR． Afamilyofinterfaceelementsfortheanalysisof composite beams with interlayer slip［J］． Finite Elements in Analysis and Design，2009，45 5 305- 314． ［5］ ALESSANDROZONA， GIANLUCARANZI．Finite element models for nonlinear analysis of steel-concrete composite beams with partial interaction in combined bending and shear［J］． Finite Elements in Analysis and Design，2011，47 2 98- 118． ［6］ CHUNG K F，CHAN C K．Advanced finite element modeling of composite beams with high strength materials anddeableshearconnectors ［J ］．Procedia Engineering，2011， 141114- 1122． ［7］ 吴礼华， 高日， 石铁花． 高性能钢-高强混凝土组合梁 抗弯承载力研究［J］． 工程抗震与加固改造， 2010， 32 4 47- 51． ［8］ 聂建国， 李红有， 唐亮． 高强钢-混凝土组合梁受弯性 能试验研究［J］． 建筑结构学报， 2009， 30 2 64- 69． ［9］ 王新敏． ANSYS 工程结构数值分析［M］． 北京 人民 交通出版社， 2007． ［ 10］ EIVIND HOGNESTAD，HANSON N W． Concrete stress distribution inultimatestrengthdesign ［J］．Journal Proceedings，1995，52 12 455- 480． ［ 11］ 李惠． 高强混凝土及其组合结构［M］． 北京 科学出版 社， 2004． ［ 12］ BUTTRY K E． Behavior of stud shear connectors in light- weightandnormal-weightconcrete ［D］．Missouri Columbia-University of Missouri，1965． ［ 13］ GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京 中国计划 出版社， 2003． 欢迎关注建筑结构 官方微信 建筑结构 杂志官方微信平台已经开通， 精彩活动将 陆续推出关注方法 打开微信 ＞ 朋友们 ＞ 添加朋友 ＞ 扫一 扫 ＞ 扫描上面的二维码， 关注即可 18