基于ANSYS的鋼—混凝土組合橋面板非線性行為分析

摘要：文章采用ANSYS軟件建立鋼-混凝土組合橋面板的三維有限元模型，對材料及連接界面的本構關系、破壞準則、網格劃分等關鍵影響因素進行了分析；基于對栓釘和開孔鋼板作用機理的研究，探討了采用非線性彈簧單元和接觸單元兩種不同形式模擬界面力學性能的方法；通過有限元模型與實際模型的試驗結果的比較，驗證了分析方法的正確性，可用于研究鋼-混凝土組合橋面板的粘結滑移、豎向掀起和極限承載力等力學性能。

關鍵詞：ANSYS軟件；鋼-混凝土組合橋面板；有限元方法；非線性分析；滑移；掀起 文獻標識碼：A

中圖分類號：U441 文章編號：1009-2374（2015）05-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0384

鋼-混凝土組合橋面板是由鋼底板和上層混凝土板通過栓釘或開孔鋼板等形式的剪力連接件結合而成的新型橋面板，不僅具有較高的承載能力，而且自重較小、經濟性好，適用于現代大跨度橋梁的設計。由于材料非線性、界面非線性和幾何非線性等因素的共同影響，對這種新型組合橋面板力學性能的研究仍存在諸多問題。模型試驗是目前最常用的研究方法，但會耗費大量的時間、人力及物力，而且試驗過程中的不確定因素會影響部分試驗數據的可靠性，為處理數據和總結規律帶來困難。有限元方法是一種實用有效的研究方法，且與實際試驗結果吻合較好，但很少考慮掀起效應的影響。

基于以上討論，本文采用有限元軟件ANSYS對某鋼-混凝土組合橋面板模型試驗進行全過程分析，考慮了滑移和掀起效應，探討了適用于栓釘和開孔鋼板的有限元模擬方法。本文可為鋼-混凝土組合橋面數值分析提供參考，為組合結構的機理研究和參數分析提供幫助。

工字型鋼梁采用SHELL63單元分別模擬上下翼緣板及腹板，混凝土板采用SOLID65六面體單元模擬，并考慮混凝土開裂的影響。

1.2 組合界面模擬

組合結構連接界面的約束方式主要有材料間的初始粘聚力、摩擦力及剪力鍵的機械連接三種。因此，本文將接觸單元CONTA173、TARGE170布置于整個連接界面，通過實常數COHE和μ分別模擬初始粘聚力和摩擦力，同時在剪力鍵處添加非線性彈簧單元COMBIN39，模擬剪力鍵的作用。用該方法模擬組合界面，可以考慮界面間的滑移和掀起對組合橋面板力學性能的影響。

1.3 邊界條件及建模過程

為消除邊界約束及加載條件對試驗結果的影響，模型工字鋼梁向兩側分別延伸了1.11m，并在端部采用固接約束。建立鋼墊塊作為加載塊，逐級加載至模型破壞。本文先建立幾何模型，然后劃分網格形成有限元模型。

3 結語

采用本文方法對組合橋面板受力性能進行研究，并與測試數據對比，得出結論如下：（1）通過關鍵參數的合理取值，采用有限元方法的分析結果與試驗結果吻合較好，能夠用于組合橋面板力學性能研究；（2）采用接觸單元和彈簧單元模擬組合結構界面行為是一種可行的分析方法，但有限元分析的界面掀起曲線平滑程度較差，有待改進；（3）組合結構界面行為復雜，有限元分析結果受彈簧單元和接觸單元的參數影響較大，如何確定合理的參數有待進一步研究。

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作者簡介：王瀟碧（1988-），女，內蒙古人，四川大學錦城學院助教，研究方向：鋼-混凝土組合結構、橋梁損傷識別；宋瑞年（1987-），男，山東人，西南交通大學土木工程學院在讀博士，研究方向：鋼-混凝土組合結構。

（責任編輯：陳 倩）