簡支鋼—混凝土組合箱梁有限元分析★

于 廣 龍

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結構·抗震·

簡支鋼—混凝土組合箱梁有限元分析★

于 廣 龍

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究簡支鋼—混凝土組合梁在荷載作用下的受力性能，采用有限元軟件ANSYS對某鋼—混凝土組合箱梁進行數值模擬，對此類組合梁進行研究和分析,研究表明：在彈性范圍內，鋼混組合梁荷載與撓度基本上呈線性關系；采用ANSYS軟件可以準確的模擬組合梁的受力過程。

鋼—混凝土組合梁,受力性能,有限元,ANSYS

1 概述

近年來，鋼—混凝土組合結構以其良好的工作性能在高層建筑和大跨橋梁等多個領域內得到推廣[1,2]。隨著鋼—混組合結構的廣泛應用，研究理論得到了快速地發展。聶建國等[3]通過簡歷微分方程，考慮了鋼混組合梁的滑移，提出了折減剛度法，并計算鋼混組合梁的抗彎剛度與截面剛度，且與試驗數據吻合良好；霍軍會等[4]通過ANSYS軟件對鋼混雙面組合連續梁進行非線性有限元分析，分析了此類梁的極限承載力和截面應力等內容。此外國內外還對組合梁的滑移、剪力連接件、開裂、極限承載力等內容進行了大量的研究[5,6]。本文主要針對簡支鋼—混凝土組合箱梁進行有限元模擬，并進行撓度和應力應變的分析。

2 有限元建模

2.1計算假定

采用有限單元法分析鋼混組合梁時，為便于計算作出如下假定：混凝土和鋼板的材料均為理想彈塑性，忽略混凝土的收縮徐變和材料非線性；板的承托面積忽略不計；鋼板與混凝土板通過剪力連接件連接良好，二者之間無滑移。

2.2算例簡介

某等截面鋼—混組合簡支箱梁，上部混凝土翼板為C30混凝土，并配有構造鋼筋，下部采用4 mm厚Q235鋼板。鋼梁與混凝土板之間采用栓釘連接，栓釘直徑8 mm，長10 mm，栓釘沿兩肋板分別分兩列均勻布設，縱向間距100 mm。C30混凝土彈性模量Ec=3×104MPa，剪切模量G=0.81×105MPa。抗壓強度設計值fc=14.3 MPa，泊松比為0.2。Q235鋼的彈性模量Es=2.1×105MPa，抗拉強度設計值f=215 MPa，泊松比為0.3。梁總長3 000 mm，計算跨徑2 900 mm，梁高160 mm，采用三分點加載方式。其他尺寸見圖1。

2.3單元類型的選取

鋼板選用Solid45單元模擬，Solid45單元是比較常用的八節點六面體實體單元，并且可退化成四面體或棱柱體，用于構建三維實體結構，材料參數為各項同性，該單元每個節點具有x,y,z三個方向的自由度。單元包括大應變、大變形、應力強化、蠕變、塑性、膨脹等特殊性能。

混凝土板也選取Solid45單元模擬，ANSYS軟件中具有專門描述混凝土壓碎和開裂的Solid65單元，與Solid45單元較為相似，可以分析處理混凝土材料的非線性特征。但是本文分析的鋼混組合梁的材料均假設為理想彈性體，不分析混凝土的開裂和壓碎等非線性問題，因此本文選取Solid45單元來模擬混凝土板。

2.4建立有限元模型

支座處和加載位置建立墊塊。按照設計圖紙和實際加載位置建立簡支鋼混組合箱梁模型，見圖2。鋼板選用理想的彈塑性本構模型，忽略下降段，其應力—應變關系如圖3所示。

3 計算結果分析

3.1組合梁的撓度分析

如圖4所示為組合梁在荷載作用下的位移云圖，由圖4可知組合梁的豎向撓度關于跨中位置對稱，由支點位置向跨中逐漸增大。圖5為組合梁跨中位置的荷載—撓度曲線。由圖5可知，梁受力情況與均質彈性體相似，跨中撓度隨著荷載的增加而線性增加；有限元分析值與試驗值吻合良好，證明了ANSYS模型的準確性。

3.2組合梁的應力應變分析

組合梁跨中截面應變曲線如圖6所示，由圖6可知，加載過程中截面基本滿足平截面假定，受壓區高度基本保持不變。圖7為加載8 kN時的鋼箱梁應力云圖。

4 結語

通過對3 m簡支鋼—混凝土組合箱梁進行有限元分析，得到以下結論：1)本文建立的ANSYS有限元模型能夠較好的模擬簡支鋼—混凝土組合箱梁在彈性階段的加載過程，為今后對同類組合梁的荷載試驗和受力性能研究提供了參考價值。2)鋼—混凝土組合梁在彈性階段內，位移和應變均隨著荷載的增加而線性增加，且組合梁在該階段內符合平截面假定。

[1] 鄧青兒,于 洋,湯岳飛.大跨徑鋼—混凝土組合梁在老橋改建中的應用[J].橋梁建設,2016,46(1):59-64.

[2] 李 天,樊 嘉,管振華.鋼—混凝土組合結構在樓層加層中的應用研究[A].全國工程結構安全檢測鑒定與加固修復研討會[C].2015.

[3] 聶建國,余志武.考慮滑移效應的鋼—混凝土組合梁變形計算的折減剛度法[J].土木工程學報,1995(6):11-17.

[4] 霍軍會,段樹金,周慶東.基于ANSYS的鋼—混雙面組合連續梁非線性有限元分析[J].公路交通科技(應用技術版),2008(4):103-106.

[5] 聶建國,王洪全.鋼—混凝土組合梁縱向抗剪的試驗研究[J].建筑結構學報,1997,18(2):13-19.

[6] 余志武,蔣麗忠,李 佳.集中荷載作用下鋼—混凝土組合梁界面滑移及變形[J].土木工程學報,2003,36(8):1-6.

Finiteelementanalysisofsimplysupportedsteel-concretecompositeboxgirder★

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the mechanical behavior of simply supported steel-concrete composite beams under load, the finite element software ANSYS was used to simulate the steel-concrete composite box girder. Research and analysis of such composite beams. The results show that the load and deflection of the steel-concrete composite beams are basically linear in the elastic range. ANSYS software can accurately simulate the process of the composite beams.

steel-concrete composite beams, mechanical behavior, finite element, ANSYS

1009-6825(2017)28-0039-02

2017-07-24★：中央高校基本科研業務費專項資金項目(項目編號：2572015BB20)

于廣龍(1989- )，男，工程師

U448.38

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