鋼板錨固長度數值分析

李佳躍++張會峰++張申

【摘 要】首先對型鋼混凝土結構的構成以及優點進行了評述，其次介紹了有限元模型的單元類型，混凝土材料模型以及鋼筋鋼板材料模型。然后列舉了鋼板錨固長度有限元模型的具體尺寸。最后給出模型的加載結果，結合混凝土與鋼板的應力云圖，分別分析了在加載過程中混凝土與鋼板的特點。通過 ABAQUS軟件對已建立模型的數值模擬，進行一些數據處理，給出模型加載端的荷載-滑移曲線。

【關鍵詞】型鋼混凝土； ABAQUS應用； 應力應變

引言

型鋼混凝土結構，是以型鋼或用鋼板焊接為鋼骨架，并在周圍配置鋼筋以及內部澆筑混凝土的一種組合結構" （Steel Reinforeed Conerete ComPosite Structures）（簡稱SRC組合結構），具有延性大，耗能高的優點。由于在混凝土中主要配置的是型鋼，使這兩種不同性能的材料形成整體而共同受力、變形協調[1]，克服了以往鋼筋混凝土的許多弱點，使結構的性能得到進一步的改善，同時型鋼在混凝土的保護下也得到了充分的發揮”。

一、材料參數及模型尺寸

（一）單元類型

為了更好的模擬鋼板與混凝土的粘結作用，通過查閱國內外有限元分析資料[2] 表明，混凝土單元采用六面體八節點單元（C3D8R），鋼板采用六面體單元，鋼筋采用三維二結點桁架單元 （ T3D2 ） 。

（二）材料模型

1.混凝土材料模型。

混凝土的單軸受壓的應力-應變曲線采用江見鯨等給出的本構關系。在定義混凝土材料時根據給定數據點，利用一系列直線來平滑逼近塑性應力-應變關系?；炷潦芾_裂應變取，受壓峰值應變取0. 002?；炷猎贏BAQUS中的參數輸入見表1。

當粘滯參數采用ABAQUS提供的缺省值時，計算的收斂性較差，根據參考文獻[3]中的建議，取粘滯參數和剪漲角。

2.鋼筋與鋼板材料模型。

考慮鋼筋與鋼板的硬化，兩者均采用雙線性彈塑性材料，鋼板彈性模量，鋼筋的彈性模量，泊松比。屈服應變取0. 0016，極限應變取0. 025。

3.非線性彈簧單元。

為全面考慮型鋼混凝土連接面上的相互作用，在ABAQUS有限元分析中，可以在型鋼與混凝土連接面上的相應節點之間采用三個非線性彈簧單元單元來模擬型鋼與混凝土之間的粘結-滑移現象，分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用[4]。

（三） 模型尺寸

型鋼由兩塊厚鋼板焊接組合而成，型鋼的截面尺寸截面高度，翼緣厚度，腹板厚度，腹板高度，鋼板長度，型鋼混凝土試件中型鋼的埋置長度均為，鋼板上下各留，混凝土尺寸為。混凝土等級為，縱筋為4C10，箍筋為C8@100，鋼板為。鋼筋保護層為，鋼板保護層為。

（四）加載制度設定及網格劃分

在ABAQUS軟件中采用分級加載，每級荷載6由小到大[5]，鋼筋屈服或試件破壞時軟件模擬加載結束。按軟件要求給模型劃分網格。

三、有限元模擬加載結果

（一）混凝土的應力應變

觀察混凝土內部剖面的應力云圖，可以發現混凝土產生應力的范圍比較均勻，但是靠近鋼板的中上部范圍內有更大的應力，并且隨著型鋼錨固長度的增加，型鋼混凝土的應力呈減小趨勢，超過一定長度后，型鋼混凝土應力云圖出現很小的壓應力，表明此處的粘結己基本不起作用了。此外，還可以看出越靠近加載端，隨著錨固長度的增加，粘結應力降低比較明顯。

混凝土在中上部應力較小，反而在中下部尤其是推出端應力分布范圍大，應力值大。原因是在混凝土中上部粘結力的化學膠結力和摩擦阻力部分已經達到最大值，剩下的粘結力應該由型鋼表面粗糙不平所產生的機械咬合力提供。

（二）鋼板的應力應變

鋼板的云圖與混凝土的云圖有很大的不同，鋼板的應力分布更明顯，而且是對稱分布，大小差別明顯，從加載端到推出端依次減小，加載端應力最大達到，與混凝土接觸的推出端應力僅僅。從增大粘結應力角度看，適當在鋼板上設置連接件、端板在理論上應該效果明顯。

四、模型的荷載-滑移曲線

圖1為計算模型的加載端荷載與加載滑移的關系曲線。如圖所示，加載初期，試件加載端發生滑移，滑移呈線性增長趨勢。當荷載達到30%極限荷載時，加載端滑移開始非線性增長，位移達到。大約直至80%極限荷載時，加載端位移達到，自由端出現滑移，化學膠結力全部喪失。荷載繼續增大，混凝土產生裂縫。隨荷載增大，裂縫也沿著試件長度方向延伸，直至達到極限荷載。此后荷載陡然下降，滑移趨于穩定的殘余值。觀察荷載-滑移曲線的幾個階段，可以發現在位移達到最大位移之前，荷載也在逐漸增大，并且在位移最大時同時達到最大值。這個過程中化學膠結力和摩擦阻力起作用，在隨后的滑移加大過程中，剩下的粘結力應該由型鋼表面粗糙不平所產生的機械咬合力提供。所以適當的設置連接件或者端板，應該對提高鋼板與混凝土的粘結作用效果明顯。

參考文獻：

[1]王連廣.鋼與混凝土組合結構理論與計算[M].北京：科學出版社，2005.

[2]江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結構有限元分析[M].北京： 清華大學出版社，2005.

[3]賴少穎.考慮粘結滑移作用的鋼筋混凝土梁柱節點數值分析[D].深圳： 深圳大學，2013.

[4]秦苗珺，趙芳慧，葛楠等.基于ABAQUS的鋼板錨固長度對混凝土-鋼板組合連梁抗震性能影響分析[J].工程抗震與加固改造，2015，37（5）：21-27.

[5]張亞.T型鋼與混凝土粘結滑移性能的理論分析及ANSYS程序驗證[D]；陜西：長安大學，2009.endprint