組合截面梁相對于傳統截面梁的力學優勢分析

趙茂桐（安徽建筑大學材料與化學工程學院，安徽 合肥 230000）

梁是建筑結構中常用的承載構件之一，傳統的截面梁主要采用混凝土或鋼材作為唯一的材料。但隨著工程設計要求的不斷提高和新材料的應用，組合截面梁作為一種新型結構，由兩種或多種材料組成，逐漸受到了廣泛的關注。本文旨在對組合截面梁和傳統截面梁進行比較研究，探討在結構設計、材料選擇、受力性能和施工工藝等方面的差異和特點。組合截面梁的結構設計需要考慮不同材料之間的協同作用和相互影響，以確保梁的整體性和穩定性[1]。例如，在鋼筋混凝土組合截面梁中需要考慮鋼材和混凝土之間的粘結問題。組合截面梁將混凝土用于受壓區域，鋼材用于受拉區域，這樣可以利用兩種材料的優點，提高梁的承載能力和剛度[2]。組合截面梁還具有更好的抗震性能和耐久性，這得益于混凝土的優良耐久性和鋼材的高強度和剛度[3]。

1 基本參數

模擬截面為150mm×230mm、梁跨為1500mm 的常規梁，底部和頂部分別放置16mm 和12mm 的HRB500級鋼筋，箍筋直徑為8mm，如圖1所示。

圖1 傳統截面梁參數

模擬截面為140mm×220mm、跨度為1500mm 的組合型材梁，采用四角截面30mm×30mm×3mm 的Q235B級角鋼，用8mm 鋼筋連接，頂部和底部構件水平連接，側面連接成如圖2 所示的45°剪切破壞的桁架形狀，嵌入C30混凝土中。

圖2 組合截面梁參數

ABAQUS 在土木工程中的應用非常廣泛，主要用于模擬和分析各種結構的力學性能和行為，如混凝土結構、鋼結構等，界面簡潔，對用戶友好，可以為工程設計和施工提供強有力的分析和預測手段。ABAQUS 采用了強大的有限元分析技術，具有高精度的分析能力，可以準確地預測結構的強度、穩定性、疲勞壽命等,采用ABAQUS 軟件可對常規梁截面和組合梁截面進行模擬[4]。所使用的部件由梁和角鋼的實心擠壓件組成，而鋼筋則使用線性截面。混凝土、低碳鋼和鋼筋所用材料的性能如表1所示。

表1 材料特性參數

2 試驗分析步驟

2.1 常規梁和組合梁強度差異

首先，對常規梁進行分析。在ABAQUS中，輸入梁的幾何參數和材料屬性，包括梁的長度、寬度、高度、截面形狀、材料彈性模量、泊松比等。然后，可以通過施加荷載來模擬梁的受力情況。ABAQUS 將計算梁的應變和應力分布，并根據材料的應力-應變曲線計算梁的強度和變形特性。

相比之下，組合梁的分析需要考慮不同材料之間的互補性。在ABAQUS 中，需要輸入不同材料的物理屬性和連接方式。例如，在混凝土-鋼組合梁的分析中，需要輸入混凝土和鋼的材料屬性，以及混凝土和鋼之間的連接方式。然后，可以通過施加荷載來模擬組合梁的受力情況。

2.2 荷載撓度曲線

將ABAQUS 輸出的撓度數據導入到Excel 或其他繪圖工具中。然后，使用圖表功能繪制荷載撓度曲線。荷載撓度曲線通常是一個非線性曲線，其中荷載是橫軸，撓度是縱軸。

在繪制荷載撓度曲線時，首先，荷載撓度曲線應該基于試驗數據或數值模擬結果；其次，梁的幾何形狀和材料屬性應該與實際情況相符；最后，荷載撓度曲線應該包括足夠的數據點，以便更好地了解梁的變形特性。總的來說，繪制荷載撓度曲線可以更好地了解梁的變形特性，并根據實際情況優化梁的設計。

2.3 荷載傳遞機理

當建筑結構遭受外部荷載時，荷載需要通過結構中的構件傳遞。在這個過程中，構件的變形會影響荷載的傳遞機制。討論在忽略局部應變的情況下，荷載是如何通過傾斜構件和水平構件上的正常傳遞機制實現的[5]。

首先，要了解傾斜構件和水平構件的組成。傾斜構件是指在建筑結構中呈傾斜狀態的構件，例如斜撐、斜桿等；水平構件是指在建筑結構中水平鋪設的構件，例如橫梁、欄桿等。

需要注意的是，當考慮局部應變時，載荷傳遞機制可能會發生變化。局部應變是指在構件的特定區域內產生的應變。例如，在傾斜構件的連接點和水平構件的支撐點處可能會產生局部應變。這些局部應變可能會導致內力傳遞被阻礙，從而影響荷載的傳遞。

2.4 截面比較與混凝土性能參數

兩個截面的鋼材截面積如表2 所示，與傳統梁相比，傳統梁的面積較小，但剛度也較低，而組合截面盡管面積較大，但剛度卻高得多。

表2 梁的橫截面積

C30 混凝土的配合比見表3，其力學性能如表4 所示。混凝土應力應變曲線如圖3所示。

表3 混凝土配合比

表4 28d混凝土力學性能

圖3 混凝土應力應變曲線

3 ABAQUS有限元分析

設置好相關的模型和參數，運行ABAQUS 進行分析得出應力應變數據。如圖4 所示，在單點荷載作用下，集中荷載始終在梁跨中位置產生最大撓度。在相同荷載的作用下，單點荷載產生的撓度大于兩點荷載產生的撓度。

圖4 單點加載的傳統梁

由圖5 可以看出，在相同荷載作用下，傳統梁的撓度比組合梁更大。

圖5 單點加載的撓度曲線

圖6顯示了兩點加載時組合截面在荷載為500kN時的撓度。中心顯示出最大撓度，逐漸向支撐方向減小，中間三分之一部分顯示兩點加載情況下的純彎曲區域。

圖6 兩點加載的組裝截面梁

如圖7所示，通過兩點荷載對傳統截面梁和組合截面梁撓度進行了比較，相同荷載作用下，傳統截面梁的撓度大于組合截面梁。

圖7 兩點荷載的撓度曲線

均布荷載普遍存在于所有梁中，這是由于板荷載以均勻分布荷載的形式作用在梁上[6]。在這種情況下，如圖8 所示，除了中間產生最大變形的區域以外，所有區域都具有清晰且相同的單元大小。

圖8 均布荷載加載的常規梁

兩個截面在相同的均布荷載作用下，傳統梁的撓度比組合梁的撓度更大，如圖9所示。

圖9 均布荷載的撓度曲線

截面抗彎剛度通常表示為EI，其中，E 表示材料的彈性模量，I 表示截面的慣性矩，單位通常為m4。截面抗彎剛度EI 越大，表示材料對彎曲荷載的抵抗能力越強，即材料的抗彎強度越高。截面抗彎剛度EI 是結構設計中的重要參數，可以用于計算結構的變形和應力分布，從而為結構的設計和優化提供依據。截面抗彎剛度EI 是評價材料性能的重要指標之一，可以作為選擇合適材料的參考指標。例如，在同樣尺寸的截面中，材料的截面抗彎剛度EI 越大，表示該材料的強度和剛度都越高，更適合于對抗彎曲要求較高的結構中。表5給出了兩個截面剛度和橫截面面積之間的比值。

表5 兩個截面剛度/橫截面面積

4 兩種梁對比分析

首先，組合截面梁的抗彎性能更好。組合截面梁由混凝土和鋼材組合而成，可以最大限度地發揮兩種材料的優勢。混凝土具有較好的抗壓性能，而鋼材具有較好的抗拉性能。組合截面梁可以利用混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，使其抗彎性能更好，能夠承受更大的彎曲荷載，工程實踐中應該根據具體情況選擇合適的梁結構。組合截面梁相對于傳統截面梁來說具有一定的優勢，但在某些情況下，傳統截面梁也可能更為適用。例如，在一些對梁自重要求較高的場合，傳統截面梁可能更為合適。

其次，組合截面梁的自重輕。組合截面梁的自重相對于傳統截面梁來說更輕。這是由于組合截面梁的混凝土厚度可以減小，同時鋼材的強度較高，可以采用較小的截面尺寸，從而減小了梁的自重。施工簡便，組合截面梁的施工過程相對于傳統截面梁來說更簡便。傳統截面梁需要進行混凝土澆筑，需要等待混凝土凝固后才能進行下一步工作，而組合截面梁的混凝土板和鋼材梁可以在工廠預制，然后在施工現場進行簡單的連接即可完成梁的安裝。工程中應該充分利用組合截面梁的優勢進行工程設計和施工。在設計和施工過程中，應該充分考慮組合截面梁的抗彎性能、自重輕等優勢，從而使其在工程實踐中發揮最大的作用。

維護成本方面，組合截面梁的維護成本相對于傳統截面梁來說更低。由于組合截面梁的鋼材部分處于混凝土的內部，可以有效地保護鋼材，減少了鋼材的腐蝕和損壞的可能性，從而減少了維護成本。應該注意組合截面梁的維護和保養，雖然組合截面梁的維護成本相對較低，但在實際使用過程中仍需要進行定期的檢查和維護，以確保其安全和穩定性。

5 結語

組合截面梁相對于傳統截面梁在力學方面的優勢之一是抗彎承載力更大，這主要是由于組合截面梁采用了混凝土與鋼材的組合，充分發揮了兩種材料的優勢。混凝土的主要優點是具有較高的抗壓承載能力，能夠有效抵抗彎曲荷載和沖擊荷載；鋼材的主要優點是具有較高的抗拉強度和剛度，能夠有效增加結構的抗彎剛度和抗彎承載能力。在組合截面梁中，混凝土和鋼材相互作用，鋼材通過與混凝土的粘結和約束增加了結構的抗彎剛度和抗彎承載能力。同時，混凝土則通過吸收和分散荷載，保護鋼材免受損傷，進一步提高了結構的承載能力和穩定性。因此，相對于傳統截面梁，組合截面梁具有更大的抗彎承載能力，能夠承受更大的彎曲荷載和沖擊荷載，同時減小截面尺寸和重量，降低了結構成本。