銹蝕栓釘的鋼—混凝土組合梁靜力特性數值分析★

余報楚 王國棟

(1.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023; 2.大連理工大學海岸與近海國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

銹蝕栓釘的鋼—混凝土組合梁靜力特性數值分析★

余報楚1,2王國棟1

(1.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023; 2.大連理工大學海岸與近海國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

運用有限元軟件ANSYS分別建立考慮滑移與拋起效應的兩種三維組合梁的有限元模型，與石衛華博士的試驗結果對比，驗證有限元模型的準確性，計算結果表明：隨著栓釘銹蝕率的增加，兩種組合梁的承載力和延性均下降，其中完全抗剪組合梁承載力退化與部分抗剪組合梁性能退化較慢，但是延性下降較快。

組合梁，銹蝕栓釘，靜力特性，有限元

2007年8月1日，由于腐蝕和疲勞作用美國一座上承式鋼桁架組合梁橋瞬間倒塌。為此，對栓釘銹蝕后的組合梁力學特性的變化的研究就十分的必要，也是土木工程目前迫切需要解決的一大難題[1]。目前，對栓釘銹蝕后組合梁力學性能的研究，主要是中南大學的余志武教授和其學生進行了氯離子侵入組合梁的路徑研究和加速銹蝕的試驗方法研究栓釘銹蝕后的力學性質，以及組合梁力學性能的變化。浙江大學吳麟、金偉良運用物理試驗和數值分析兩種方法研究組合梁荷載滑移、荷載撓度曲線退化規律。中南大學的余志武、石衛華，基于抗彎承載力極限狀態,提出了同時考慮栓釘銹蝕與荷載效應時變的鋼—混凝土組合梁時變可靠度分析方法[2-4]。

數值分析是借助有限元分析結構的一種有效的方法，關鍵是選取合適的設計參數、本構關系和建立合理的有限元模型。本文采用此方法對栓釘銹蝕后組合梁的靜力特性進行分析。

1 組合梁有限元模型

1.1 試驗方案[1]

鋼—混凝土組合梁參數見圖1，C55混凝土板跨度為1 700 mm,縱向配筋為4Φ10，配筋率為0.445%，橫向配筋為Φ6@100，配筋率為0.7%;H型鋼梁尺寸跨度為1 800 mm;栓釘型號為M16×70 mm，按兩種剪力連接程度，模型一為單排，間距為75 mm，連接程度為0.686；模型二設置雙排栓釘，間距為100 mm，連接程度為1.029。加載采用對兩端簡支組合梁跨中通過分配梁兩點對稱集中加載，純曲彎段為400 mm,剪跨段為600 mm。

材料參數見表1，試驗方案見圖1。

表1 材料參數表

1.2 有限元模型[5，6]

選用Solid65模擬混凝土板，Shell43模擬型鋼梁，Beam188模擬栓桿，Combin39模擬混凝土板與鋼梁的連接作用，加載塊用Solid45模擬。網格尺寸為：混凝土板單元0.025 m×0.012 5 m×0.017 m,鋼梁單元0.025 m×0.125 m，加載塊單元0.025 m×0.012 5 m×0.012 5 m，施加約束為一端約束X,Y,Z自由度，另一端約束Y,Z自由度，加載塊與混凝土板三個方向自由度耦合對數為144對。其中，模型一的彈簧單元數63個，總單元數18 751個；模型二的彈簧單元數為96個，總單元數為18 790個。為防止混凝土板側翻，耦合鋼梁與混凝土重合的其他節點豎直方向自由度，按上面方案中施加荷載，進行分析。有限元模型見圖2。

模擬栓釘作用的彈簧單元的實常數選擇是分析關鍵，選擇石衛華博士統計回歸的模型，由于豎向栓釘剛度較大，均勻銹蝕下對豎向的荷載—位移曲線影響不作考慮：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ——栓釘的均勻銹蝕率,%；

EC——高強混凝土的彈性模量；

fu——高強混凝土的軸向抗壓強度；

fcu——高強混凝土的標準抗壓強度；

fu,st——栓釘的極限抗壓強度；

Ast——栓釘的截面面積；

L——栓釘的縱向間距；

S——滑移量或拋起量；

N——豎向抗拔力；

P——抗剪承載力。

不同銹蝕率的P—S曲線如圖3，圖4所示。

本文計算結果與石衛華博士所做試驗結果對比，如表2，表3所示。

表2 模型一結果對比

表3 模型二結果對比

表2，表3中，Myt，δyt分別為鋼梁的下翼緣屈服時的彎矩和撓度，Mut，δut分別為混凝土板破壞時的彎矩和撓度，“—”代表未做此組試驗。

從表2，表3對比可知,本文采用的有限元方法計算的組合梁的跨中彎矩比試驗較小，撓度比試驗較大,主要是未考慮鋼梁與混凝土板之間的摩擦力和初期時生成的鐵銹的填充作用，但兩者差率均小于5%，故可以進行后續的分析。

2 結果分析[7，8]

2.1 組合梁銹蝕后延性

考察銹蝕后靜力作用下組合梁的延性發生如何變化，有兩個指標：極限狀態下撓度與跨中彎矩和屈服狀態下撓度與跨中彎矩之比，如圖5，圖6所示。

分析可知，隨著栓釘銹蝕率的增加，組合梁極限狀態與屈服狀態下撓度和跨中彎矩之比減小，是由于栓釘銹蝕后鋼梁與混凝土之間的連接程度減弱，并且生成的銹蝕物的膨脹使得混凝土開裂，降低了組合梁承受荷載的能力和延性。模型二與模型一相比，部分抗剪組合梁的延性較高，但是隨著銹蝕率增加下降也較快。

2.2 組合梁銹蝕后滑移與拋起

滑移現象和拋起現象是組合梁力學性能的一個側面反映，也是不同于鋼筋混凝土梁的特有現象，二者在組合梁上的分布情況如圖7～圖10所示。

從模型一、二滑移可以看出,部分抗剪組合梁與完全抗剪組合梁相比，滑移值明顯大，并且隨著栓釘銹蝕率的增加，受影響也較大，但是滑移的分布較均勻。拋起值約為滑移的1/10，模型一的拋起值大于模型二的，隨著銹蝕率的增加，拋起值都增大，增加的速度模型一也大于模型二。

2.3 荷載—撓度曲線分析

組合梁的荷載—撓度曲線如圖11所示，可以看出未銹蝕和銹蝕率3.3%的曲線差別很小，只是跨中最大撓度的不同。當銹蝕率大于6%之后組合梁荷載—位移下降較為明顯，承載能力下降。與部分抗剪組合梁相比，完全抗剪組合梁的延性較低，但隨著銹蝕率的增加延性下降較慢。

2.4 組合梁剛度分析

分析不同銹蝕程度下的組合梁的抗彎剛度變化曲線如圖12所示，可以看出本文計算的抗彎剛度與文獻[1]的試驗計算的抗彎剛度有一定的差別，主要是由于未考慮到混凝土板與鋼梁間的摩擦力和銹蝕物的填充作用造成的，但是總體可以反映出抗彎剛度隨著銹蝕率的增加而減小。三條曲線都可以看出當銹蝕率大于6%，以后剛度的下降較為明顯。

3 結語

通過與石衛華博士的試驗對比，分析有限元計算結果，可以得出以下結論：

1)分析不同跨中撓度、彎矩比曲線。

合適的部分抗剪組合梁的延性和極限承載力要好于完全抗剪組合梁；隨著栓釘銹蝕率的增加，兩種組合梁的延性均降低。

2)分析組合梁滑移和拋起曲線圖。

部分抗剪組合梁的滑移分布要較完全抗剪組合梁分布均勻；隨著栓釘銹蝕率的增加，滑移和拋起值都增加；隨著組合梁施加荷載的增加，滑移和拋起最值的向梁端移動。

3)分析荷載—位移曲線和剛度曲線。

隨著銹蝕率的增加，組合梁的承受荷載的能力以及抗彎剛度都下降；完全抗剪組合梁的抗彎剛度要高于部分抗剪組合梁的抗彎剛度。

[1] 石衛華.考慮耐久性的鋼—混凝土組合梁結構力學性能研究及可靠性分析[D].長沙：中南大學，2013.

[2] 龔匡暉.氯離子作用下鋼—混凝土組合梁的耐久性研究[D].長沙：中南大學,2009.

[3] 陳麗芝.干濕循環作用下氯離子對鋼—混凝土組合梁的侵蝕及損傷演變[D].長沙：中南大學,2011.

[4] 吳 麟.栓釘銹蝕鋼—混凝土組合梁性能試驗研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[5] Eurocode4. Design of Composite Steel and Concrete Structures, Part2: Bridges,1996.

[6] D. Lam,E. El-Lobody.Finite element modeling of headed stud shear connectors in steel-concrete composite beam[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(1):96-107.

[7] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8] 楊哲光.工字型鋼—混凝土組合梁受彎性能數值分析[J].建筑結構，2013，4(3)：29-30.

Numerical analysis on static properties of corrosion stud steel-concrete composite beam★

Yu Baochu1,2Wang Guodong1

(1.CollegeofOcean&CivilEngineering,DalianUniversityofOcean,Dalian116023,China;2.Coast&CoastalNationalLab,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The paper applies finite element software ANSYS and respectively establishes two sets of tri-dimensional composite beam finite element models by taking slipping and throwing effect into consideration, compares it with doctor Shiweihua’s experimental result, and testifies the accuracy of finite element model. The calculation results show that: with the stud corrosion rate increasing, the bearing capacity and ductility of two sets of composite beams reduces, in addition, the bearing capacity of completely shearing-resisting composite beam and partial shearing-resisting composite beam reduce more slowly, but their ductility reduces faster.

composite beam, corrosion stud, static properties, finite element

2015-04-10★：大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金(項目編號：LP1412)

余報楚(1974- )，男，碩士生導師，副教授； 王國棟(1987- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)17-0013-03

TU375

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