基于 Ansys 的鋼箱—混凝土組合梁受力性能分析

沈志昊

(勝利油田勝建集團(tuán)建安工程處，山東東營(yíng) 257000)

0 引言

鋼箱—混凝土組合梁是一種新型鋼—混凝土組合梁[1］(見圖1)，文獻(xiàn)[1］通過試驗(yàn)初步研究了此類梁的抗彎性能，文獻(xiàn)[2］～[4］對(duì)此類梁的局部穩(wěn)定性、抗彎性能、抗剪性能等進(jìn)行了進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[5］報(bào)道了這種新型組合梁的初步應(yīng)用。日本學(xué)者Nakamuraa S等[6］對(duì)鋼箱—混凝土梁也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鋼箱—混凝土梁的極限抗彎能力比鋼箱梁模型大25%以上，延性增大6.5倍以上。

圖1 鋼箱—混凝土梁示意圖

本文利用文獻(xiàn)[1］～[4］鋼箱—混凝土組合梁試驗(yàn)研究的受力性能，基于Ansys軟件中，對(duì)鋼箱—混凝土組合梁進(jìn)行了三維空間有限元分析。分析計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[3］中試驗(yàn)結(jié)果吻合性良好。

1 基于Ansys的鋼箱—混凝土試驗(yàn)梁有限元分析模型

1.1 有限元分析模型

鋼箱采用三維4節(jié)點(diǎn)板殼單元(Shell181)，適于模擬薄殼至中等厚度殼結(jié)構(gòu);內(nèi)填混凝土采用三維加筋混凝土實(shí)體單元(Solid65)，適于模擬無(wú)筋或加筋的混凝土結(jié)構(gòu)，具有受拉開裂和受壓破碎性能。鋼板與混凝土之間的相互作用采用間隙單元(Link10)模擬，忽略鋼板與混凝土之間的粘結(jié)作用，單元屬參數(shù)KEYOPT(3)=1，僅受壓選項(xiàng);計(jì)算模型如圖2所示。

1.2 鋼材和混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

鋼材采用的三段折線應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系:在鋼材屈服前采用線性關(guān)系，直線斜率為彈性模量Es=2.0×105MPa，屈服階段水平直線，鋼材強(qiáng)化段的起始應(yīng)變 εt=0.002 8，E′按 Y.Higashibata 建議取 E′=0.01Es(見圖3)。

圖2 計(jì)算模型圖

圖3 鋼材應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

1.3 混凝土本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則

混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[7］依據(jù)矩形鋼管混凝土試驗(yàn)提出的以約束效應(yīng)系數(shù)ξ為主要參數(shù)的核心混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系:

其中，fc′=fck[1.194+(13/fck)0.45(－0.019 61ξ2+0.144 7ξ)］;

此模型較好地反映了充填混凝土受鋼箱的約束特點(diǎn)(見圖4)。

圖4 混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

1.4 求解過程

求解方法采用波前法，整個(gè)加載過程50個(gè)子步進(jìn)行加載。

2 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

利用有限元計(jì)算模型對(duì)文獻(xiàn)[3］中的鋼箱—混凝土試驗(yàn)梁受力全過程分析，以下簡(jiǎn)要介紹對(duì)SCB60的分析結(jié)果。

試驗(yàn)梁SCB6幾何尺寸見圖1，長(zhǎng)度為4 000 mm，截面高度500 mm，寬度180 mm，上部充填混凝土箱室高度180 mm，鋼箱頂板厚度3 mm，底板厚度6 mm，腹板厚度3 mm，隔板厚度2 mm;鋼箱采用Q235熱軋鋼板焊接而成，充填混凝土為C40。

圖5為SCB60在極限荷載下鋼箱彎曲正應(yīng)力分布云圖，表明在極限荷載下，鋼箱截面絕大部分進(jìn)入了屈服，甚至強(qiáng)化狀態(tài)，鋼材強(qiáng)度得到充分利用。

圖6為SCB60在極限荷載下充填混凝土彎曲正應(yīng)力分布云圖，充填混凝土基本處于受壓狀態(tài)。

圖5 SCB60鋼筋彎曲正應(yīng)力云圖

圖6 SCB60充填混凝土彎曲正應(yīng)力云圖

圖7為SCB60跨中實(shí)測(cè)撓度與有限元模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。圖8為跨中截面底板應(yīng)變—荷載曲線，試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合良好。圖9為跨中截面鋼箱頂板應(yīng)變—荷載曲線，在彈性段試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合良好，在彈塑性段由于頂板受壓局部屈曲，兩個(gè)值有一定誤差。

圖7 SCB60跨中撓度—荷載試驗(yàn)與計(jì)算值比較

圖8 SCB60跨中底板應(yīng)變—荷載試驗(yàn)與計(jì)算值比較

圖9 SCB60跨中頂板應(yīng)變—荷載試驗(yàn)與計(jì)算值比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文有限元分析結(jié)果表明:

1)鋼箱—混凝土組合梁整個(gè)受力過程可分為:線彈性工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段;

2)線彈性工作階段，表現(xiàn)為剛度大，與相同尺寸的鋼箱梁相比，剛度提高80%;

3)進(jìn)入破壞階段后，承載能力沒有明顯下降，表現(xiàn)為良好的延性和較高的承載能力。

[1]鐘新谷，舒小娟，鄭玉國(guó)，等.鋼箱—混凝土組合梁正截面承載力的初步研究[J］.土木工程學(xué)報(bào)，2002，35(6):73-79.

[2]鐘新谷，舒小娟，沈明燕，等.鋼箱—砼組合梁彎曲性能試驗(yàn)研究[J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006(1):74-79.

[3]莫時(shí)旭.鋼箱—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)行為試驗(yàn)研究與分析[D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

[4]鐘新谷，舒小娟，沈明燕，等.鋼箱—砼組合梁正截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)研究[J］.中國(guó)工程科學(xué)，2008，10(10):47-52.

[5]鐘新谷，莫時(shí)旭，舒小娟，等.鋼箱—混凝土組合結(jié)構(gòu)研究及其應(yīng)用[D］.長(zhǎng)沙:湖南科技大學(xué)，2009.

[6]Shun-ichi Nakamuraa，Hiromitsu Morishitab.Bending strength of concrete-filled narrow-width steel box girder[J］.Journal of Constructional Steel Research，2008(64):128-133.

[7]韓林海，陶 忠.方鋼管混凝土軸壓力學(xué)性能的理論分析與試驗(yàn)研究[J］.土木工程學(xué)報(bào)，2001(2):17-25.