型鋼混凝土梁正截面承載力優化分析

賈瑞濤

(西北勘測設計研究院，陜西西安 710065)

1 簡介

型鋼混凝土構件卓越的強度和延性以及良好的吸能能力使得型鋼混凝土結構具有了超強的抗震性能。為了能夠更深入的了解型鋼混凝土結構的性能，近年各國學者對型鋼混凝土結構進行了大量的研究[1］。

本研究的目的是在探討型鋼混凝土梁構件內置型鋼的上翼緣寬度的最佳模式。故應用有限元軟件ABAQUS，進行15個型鋼混凝土梁構件的單調加載非線性模擬，此15個型鋼混凝土梁構件在其他條件相同的情況下，只改變型鋼混凝土梁內置型鋼的上翼緣寬度，從0倍～1.5倍下翼緣寬，進行單調加載模擬，以得到與上翼緣寬度參數有關的梁構件承載力特征值曲線(見圖1)。

圖1 型鋼混凝土梁改變內置型鋼上翼緣寬度示意圖

本文進行模擬的型鋼混凝土梁的截面如圖2，圖3所示，跨度為1 500 mm。

圖2 型鋼混凝土梁截面

圖3 內置型鋼截面

材料性質:混凝土強度等級C80;型鋼采用Q235，fa=210 N/mm2;縱向鋼筋采用 HPB235，fy=210 N/mm2;箍筋采用 HPB235，fyv=210 N/mm2。

2 有限元模擬

2.1 材料特性

鋼筋:當構件中的鋼筋超過屈服應力時，鋼筋會發生塑性變形，所以鋼筋的應力應變曲線采用的是完全彈塑性模型，其彈性階段的彈性模量ES=200 GPa。

型鋼:型鋼的鋼材模型在單軸情況下和鋼筋是相似的，其泊松比VS=0.3，彈性模量ES=200 GPa，但是在多軸受力的情況下，用von Mises屈服準則來斷定型鋼的屈服[2］如下:

角標1，2，3分別為各軸的應力。

混凝土:混凝土的泊松比取Vs=0.2。相對于單軸抗壓強度，混凝土受約束時的抗壓強度有大幅的提高(如圖4所示)，其約束混凝土強度[3］的提高程度可由式(2)，式(3)計算:

圖4 約束混凝土強度提高示意圖

2.2 網格劃分

型鋼混凝土梁截面有限元網格劃分如圖5所示，梁整體有限元模型示意圖如圖6所示。

圖5 梁截面有限元網格劃分

圖6 梁構件有限元模型示意圖

2.3 有限元分析結果

通過位移加載的模式進行加載，直至梁構件破壞，其有限元模擬各階段的特征值如表1所示。

將上翼緣尺寸變化與主要特征值分別繪制成曲線，示意圖如圖7所示。

2.4 數據及結果分析

由圖7可以看出，其他條件不變的情況下，型鋼混凝土梁構件的承載力并不是隨上翼緣的增大而增加，在上翼緣和下翼緣之比為0～0.7時梁的承載力不斷增加，0.8以上時梁的承載力仍在增加，但是增加的緩慢，1以上時，幾乎不增加。由此可推斷，在上下翼緣之比為0.7～0.8時，型鋼混凝土梁構件的受力模式最佳，型鋼材料與混凝土材料發揮各自作用。在其他范圍內梁構件的 受力模式均較差。

表1 構件模擬結果的特征值

圖7 上翼緣尺寸變化曲線

通過對型鋼混凝土梁構件的實驗進行分析，以及對有限元模擬過程的深入研究可知:首先，型鋼混凝土梁構件中的型鋼上、下翼緣對核心區的混凝土有包裹作用，當構件受力時，其截面核心區的混凝土強度有所提高。其次，型鋼混凝土構件的強度在一定程度上取決于型鋼和混凝土的共同作用，研究證明:內置與混凝土構件的型鋼不僅能起到橫向和縱向鋼筋的作用，而且能給型鋼翼緣內部的混凝土提供一定量的壓力約束，使得型鋼翼緣內部的部分混凝土在受力時處于一種三軸受壓狀態。而另一方面，翼緣內的混凝土給予型鋼有效的支撐，翼緣外的混凝土也對型鋼有一定的約束作用，大幅提高了型鋼構件的強度和穩定性。然而，型鋼混凝土構件在受力時，型鋼和混凝土界面存在粘結滑移，并且在粘結滑移發生時，構件承載力明顯降低，當粘結滑移失效時，構件的承載力下降至80%～90%，所以粘結滑移是影響型鋼混凝土構件強度的重要因素之一。再次由于型鋼翼緣與核心區的混凝土的約束作用，在一定程度上延遲了翼緣內側和腹板兩側的型鋼和混凝土界面的粘結滑移。總之，型鋼和混凝土之間的相互作用是型鋼混凝土構件高承載力和抗震性能的保證[4］。

3 結語

1)型鋼混凝土梁內置型鋼的上下翼緣之比為0.7～0.8范圍時，對核心區混凝土有高效約束，同時核心區的混凝土對翼緣有有效的支撐，在此范圍內型鋼、鋼筋和混凝土能充分發揮其力學性能，即達到最佳經濟模式;

2)型鋼混凝土梁內置型鋼上下翼緣之比低于0.7時由于型鋼不能對核心區的混凝土形成有效包裹，不能形成高效約束，不利于抵抗粘結滑移的發生;

3)型鋼混凝土梁內置型鋼上下翼緣之比高于0.8時，再拓寬內置型鋼的上翼緣寬度是不經濟的。

[1]Hsuan-Teh Hu，M.ASCE，Chiung-Shiann Huang，et al.Nonlinear Analysis of Axially Loaded Concrete-Filled Tube Columns with Confinement Effect[J］.Journal of Structural Engineering，2003，129(10):1322-1329.

[2]Qingxiang Wang，Dazhou Zhao，Ping Guan.Experimental Study On The Strength And Ductility Of Steel Tubular Columns Filled With Steel-Reinforced Concrete[J］.Engineering Structures，2004(26):907-915.

[3]J.B.Mander，M.J.N.Priestley，R.Park，et al.Theoretical Stress-Strain Model For Confined Concrete[J］.Journal of Structural Engineering，1986，114(8):1804-1825.

[4]曾 磊，鄭山鎖，查春光，等.型鋼混凝土矩形截面梁優化設計[J］.哈爾濱工業大學學報，2007，39(S2):184-187.