可拆卸鋼-混凝土組合梁抗彎性能有限元分析

Summary：為研究可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎性能，利用Abaqus有限元軟件分析了混凝土板強(qiáng)度、鋼梁強(qiáng)度和螺栓強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁抗彎性能的影響。結(jié)果表明：混凝土板的強(qiáng)度越高，可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力越大；可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力隨著鋼梁強(qiáng)度的增大而增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)顯著；螺栓的強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力幾乎沒有影響。Keys：鋼-混凝土組合梁；可拆卸；抗彎性能0.引言鋼-混凝土組合梁是由抗剪連接件、型鋼梁和混凝土板三部分組成，它充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的優(yōu)勢(shì)，具有承載能力高、自重輕、延性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的鋼-混凝土組合梁大多采用現(xiàn)澆的施工方式，迄今為止，專家學(xué)者已對(duì)現(xiàn)澆鋼-混凝土組合梁展開了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。1983年，鄭州工學(xué)院[2]對(duì)槽鋼連接的鋼-混凝土組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了槽鋼連接件承載能力的計(jì)算方法；2011年，周東華等[3]理論推導(dǎo)了組合梁的撓度計(jì)算方法，計(jì)算方法精度高，應(yīng)用廣；2018年，李文賢[4]對(duì)組合梁的靜動(dòng)力性能進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)組合梁的抗彎剛度、極限承載力和變形能力與剪力連接度成正比；2020年，馬觀領(lǐng)等[5]對(duì)組合梁在正彎矩與負(fù)彎矩作用下的靜力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)彎矩作用下組合梁極限承載力低于正彎矩作用下組合梁的極限承載力。但大量工程實(shí)例表明，傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼-混凝土組合梁在建造和拆除過程中存在著施工揚(yáng)塵和建筑垃圾等環(huán)境問題，隨著現(xiàn)階段建筑工業(yè)化進(jìn)程加快和城市可持續(xù)發(fā)展的需求，有學(xué)者提出采用各型螺栓作為抗剪連接件，從而實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合梁的可裝配、可拆卸，提升施工效率的同時(shí)，降低施工成本，并減少建造和拆除過程中對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)建筑與自然和諧共存[6]?；谏鲜霰尘?，本文采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)螺栓連接的可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎性能進(jìn)行了研究，分析了混凝土板強(qiáng)度、鋼梁強(qiáng)度和連接螺栓強(qiáng)度對(duì)組合梁抗彎性能的影響。

1.有限元模型的建立1.1試件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了1根跨度為3000mm的可拆卸鋼-混凝土組合梁，鋼梁采用截面尺寸為H250×250×9×14的Q235鋼，混凝土板采用截面尺寸600mm×140mm的C30預(yù)制混凝土板，鋼梁與混凝土板之間采用10.9級(jí)的M22高強(qiáng)螺栓連接，混凝土板中布置直徑為12mm的HRB335級(jí)鋼筋。組合梁截面示意圖和側(cè)視圖如圖1、圖2所示。

圖1組合梁截面圖

圖2組合梁側(cè)視圖1.2材料參數(shù)混凝土采用ABAQUS自帶的損傷塑性模型模擬，膨脹角φ=30°，流動(dòng)勢(shì)偏量λ=0.1，雙軸受壓極限應(yīng)力與單軸受壓極限應(yīng)力之比定義為1.16，控制混凝土屈服面在偏平面上的投影形狀的系數(shù)Kc=0.667，粘性系數(shù)為0.001，本構(gòu)曲線參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[7]定義。鋼筋的本構(gòu)采用理想彈塑性模型來(lái)進(jìn)行表征，鋼梁、連接螺栓采用應(yīng)力強(qiáng)化模型進(jìn)行表征，鋼材的彈性模量均為206×103Mpa，泊松比μ均為0.3。1.3單元選取與邊界條件混凝土板、鋼梁和連接螺栓采用實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬。鋼筋采用Embedded的方式嵌入到混凝土板中，其余部件之間均采用表面與表面接觸，接觸屬性切向采用“罰”函數(shù)，摩擦系數(shù)μ＝0.5，法向采用“硬”接觸。加載時(shí)為保證構(gòu)件的穩(wěn)定性，將加載點(diǎn)與面耦合并施加位移荷載，在兩個(gè)支座位置處設(shè)置簡(jiǎn)支的約束條件。有限元計(jì)算模型如圖3所示。圖3有限元計(jì)算模型2.抗彎性能有限元分析2.1混凝土板強(qiáng)度的影響研究混凝土板強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁抗彎性能的影響，選取C30、C40和C50三種強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行模擬分析?？缰泻奢d-位移曲線如圖4所示，有限元計(jì)算結(jié)果如表1所示。可見隨著混凝土板的強(qiáng)度從C30增長(zhǎng)到C40、C50,屈服承載力Py分別增長(zhǎng)了4.5%和7.9%，極限承載力Pu分別增長(zhǎng)了6.8%和12.4%?？梢园l(fā)現(xiàn)混凝土板的強(qiáng)度越高，可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力越大。圖4不同混凝土強(qiáng)度荷載-撓度曲線表1不同混凝土強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果試件參數(shù)C30C40C50屈服承載力Py/KN677.2707.3730.8極限承載力Pu/KN872.5931.5981.12.2鋼梁強(qiáng)度的影響鋼梁作為主要的抗彎部件，其強(qiáng)度直接影響著可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎性能，選取Q235、Q345和Q390三種強(qiáng)度的鋼梁進(jìn)行模擬分析?？缰泻奢d-位移曲線如圖5所示，有限元計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用強(qiáng)度等級(jí)為Q390和Q345的鋼梁，相對(duì)于采用Q235鋼梁，屈服承載力Py分別增長(zhǎng)了50.2%和46.1%，極限承載力Pu分別增長(zhǎng)了42.9%和30.8%。可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力隨著鋼梁強(qiáng)度的增大而增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)顯著。圖5不同混凝土強(qiáng)度荷載-撓度曲線表2不同混凝土強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果試件參數(shù)Q235Q345Q390屈服承載力Py/KN677.2989.41017.1極限承載力Pu/KN872.51141.41246.62.3連接螺栓強(qiáng)度的影響連接螺栓為鋼梁和混凝土板提供了組合作用，為研究螺栓強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁抗彎性能的影響，選取8.8級(jí)、10.9級(jí)和12.9級(jí)三種強(qiáng)度的螺栓進(jìn)行模擬分析?？缰泻奢d-位移曲線如圖6所示，有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用12.9級(jí)和10.9級(jí)的螺栓，相對(duì)于采用8.8級(jí)的螺栓，屈服承載力Py和極限承載力Pu變化并不明顯，螺栓的強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力幾乎沒有影響。圖6不同混凝土強(qiáng)度荷載-撓度曲線表3不同混凝土強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果試件參數(shù)8.810.912.9屈服承載力Py/KN677.2677.2677.2極限承載力Pu/KN872.0872.5872.63.結(jié)論文章對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎性能進(jìn)行了有限元分析，結(jié)論如下：1）混凝土板的強(qiáng)度越高，可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力越大；2）可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力隨著鋼梁強(qiáng)度的增大而增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)顯著；3）螺栓的強(qiáng)度對(duì)可拆卸鋼-混凝土組合梁的抗彎承載力幾乎沒有影響。Reference：[1]聶建國(guó),劉明,葉列平.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.[2]聶建國(guó),孫國(guó)良.鋼-混凝土組合梁槽鋼剪力連接件的研究[J].工業(yè)建筑,1990(10):8-13+57.[3]周東華,孫麗莉,樊江,趙志曼,劉永芳.組合梁撓度計(jì)算的新方法——有效剛度法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,46(04):541-546.[4]李文賢.不同連接程度下鋼-混凝土組合梁的理論及試驗(yàn)研究[D].東南大學(xué),2018.[5]馬觀領(lǐng),倪永軍,羅鑫源.正負(fù)彎矩荷載作用下的鋼-混凝土組合梁靜力性能分析[J].交通科技,2020(05):1-5+13.[6]班慧勇,