簡支鋼混組合箱梁界面相對滑移性能研究

于 廣 龍

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡支鋼混組合箱梁界面相對滑移性能研究

于 廣 龍

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究簡支組合梁中鋼梁與混凝土板之間界面的相對滑移，采用有限元軟件ANSYS對某鋼—混凝土組合箱梁進行有限元模擬，分析了荷載大小和混凝土強度對界面相對滑移的影響。研究表明：鋼梁與混凝土板之間的相對滑移量隨荷載的增大而增大；相對滑移量隨混凝土強度的增大而略微減小。

組合梁，相對滑移，有限元，荷載，混凝土強度

1 概述

鋼—混凝土組合結構是在鋼筋混凝土結構和鋼結構的基礎上逐漸發展起來的一類新型結構形式[1-3]。隨著鋼混組合結構的廣泛應用，對剪力連接件的研究也得到了快速地發展。孫文彬[4]通過對在部分剪力連接條件下的鋼混組合梁的滑移性能進行系統研究,提出了鋼混組合梁在滿足強度與變形的前提下,采用部分剪力連接設計更加經濟。江祥林等[5]通過對結構試件進行破壞試驗，對破壞形式、極限承載力與滑移量進行研究，結果表明有貫通鋼筋PBL剪力鍵結構試件的極限承載力高于無貫通鋼筋PBL剪力鍵結構試件。田山坡[6]通過對比現有的規范和著作，介紹了目前對于剪力連接件計算方法的研究，提出在具體工程中滿足結構安全性和耐久性的前提下，選取合適的計算方法。本文主要針對簡支鋼—混凝土組合箱梁進行有限元模擬，并分析剪力連接件的縱向滑移量與荷載大小和混凝土強度的關系。

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。

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XYZ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。

栓釘采用Link180桁架單元來模擬，每個節點具有三個自由度，分別沿XYZ方向的平動，單元具有蘇醒、旋轉、蠕變、大應變和大變形等功能。

2.4建立有限元模型

本文所分析的為等截面簡支鋼混組合梁，為縮短計算時間，建立一半模型，對稱面施加對稱約束。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

鋼混組合梁結構中，混凝土翼板與鋼板相互之間的滑移，是二者沿梁縱向的相對移動，所以在ANSYS軟件分析的結果中，通過讀取栓釘單元上下相鄰節點的縱向(Z方向)位移，以兩節點的相對位移作為鋼梁與混凝土板的相對滑移。

3.1相對滑移與荷載的關系

對簡支鋼—混凝土組合梁三分點位置施加大小不同的集中荷載，通過ANSYS有限元模型的分析計算，得出荷載大小對鋼混組合梁的界面相對滑移的影響關系。

如圖4所示為鋼梁與混凝土板之間的相對滑移量與荷載大小的關系曲線。由圖可知，相對滑移根據距跨中位置的不同而不同，相對滑移量隨距跨中距離的增大而逐漸增大，而在接近梁端位置處滑移量最大且數值基本維持不變；由滑移分布曲線可得，除跨中位置以外，同一位置處的相對滑移量均隨著荷載的增大而增大，基本呈正比例關系。

3.2相對滑移與混凝土強度的關系

在保持截面尺寸和荷載等條件不變的情況下，選取混凝土強度不同的鋼混組合梁分別進行分析計算，本文中選取了三種不同的混凝土強度等級，分別為C30,C40和C50，對應的強度設計值與彈性模量見表1。

表1 混凝土的強度設計值和彈性模量

如圖5所示為鋼梁與混凝土板之間的相對滑移量與混凝土強度的關系曲線。由滑移分布曲線可知，除跨中位置以外，同一位置處的相對滑移量均隨著混凝土強度的增大而減小，但減小量相對較小，可見混凝土強度對界面滑移的影響相對較小。

4 結語

通過對3 m簡支鋼—混凝土組合箱梁進行有限元模擬，分析荷載大小和混凝土強度對界面相對滑移的影響，得到結論如下：1)鋼梁與混凝土板之間的相對滑移量隨距跨中距離的增大而逐漸增大，在接近梁端位置處滑移量最大且數值基本維持不變。2)界面相對滑移量隨著荷載的增大而增大，基本呈正比例關系。3)界面相對滑移量隨著混凝土強度的增大而減小，但減小量較小，可見混凝土強度對界面滑移的影響相對較小。

[1] 聶建國,余志武.鋼—混凝土組合梁在我國的研究及應用[J].土木工程學報,1999,32(2):3-8.

[2] 聶建國,周天然,秦 凱，等.預應力鋼—混凝土組合梁的抗彎承載力研究[J].工業建筑,2003,33(12):1-5.

[3] 李 杰,張云龍,叢曉輝，等.鋼—混凝土組合梁的研究現狀與展望[J].吉林建筑大學學報,2016,33(6):19-24.

[4] 孫文彬.部分剪力連接鋼—混凝土簡支組合梁滑移性能研究[D].南京:河海大學,2000.

[5] 江祥林,陳一馨,舒 偉，等. PBL剪力鍵結構極限承載力及破壞形式研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2014(9):1116-1121.

[6] 田山坡.鋼混組合梁剪力連接件的計算方法研究[J].鐵道工程學報,2014,31(8):56-61.

Studyonrelativeslipperformanceofsimplysupportedsteel-concretecompositeboxgirder

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the relative slip between the steel beam and the concrete slab in the composite beam, a finite element software ANSYS was used to simulate a steel-concrete composite box girder. The influence of the load value and the concrete strength on the relative slip of the interface is analyzed. The results show that the relative slip between the steel beam and the concrete slab increases with the increase of the load value. The relative slip decreases slightly with the increase of the concrete strength.

composite beams, relative slip, finite element, load, concrete strength

1009-6825(2017)29-0066-02

2017-08-01

于廣龍(1989- )，男，助理工程師

U448.36

A