型鋼砼組合梁剪切裂縫發(fā)展的有限元分析

【摘 要】采用自行編制的針對組合梁構(gòu)件的非線性有限元分析程序SRCBNP，模擬了系列試驗構(gòu)件，得到相應(yīng)的荷載位移曲線和試件裂縫開展過程。與試驗結(jié)果對比，表明有限元分析結(jié)果與試驗實測結(jié)果吻合較好。

【關(guān)鍵詞】 SRC組合梁；剪切；有限元；非線性；裂縫

Analysis of FEM on crack formation and development of steel-reinforced concrete composite beam with shear

Liu Jin-xing 1，Xie Jian-xue 2

(1.Suzhou xukou Hydro Project Management Office Suzhou Jiangsu 215000； 

2.Suzhou Park Construction Limited Suzhou Jiangsu 215000)

【Abstract】To investigate the behavior of steel-reinforced concrete composite beam with shear systematically， the nonlinear finite element program named SRCBNP was adopted. The specimens from the test were selected as the subjects to be analyzed， forming and development of crack and crushing of concrete in B1 - 1.5p were simulated， their load-deflection behaviors was derived. The results showed them agree well with the test.

【Key words】SRC composite beam;Shear;FEM;Nonlinear;Crack

1. 前言

SRC組合梁^［1～2］全稱(Steel-Reinforced Concrete Composite Beam)是由型鋼和RC組合而成的一種組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由于其具有施工方便、高強、較優(yōu)的剛度/重度比和較好的防火性能等優(yōu)點，使其在實際工程中被廣泛采用，具有良好的發(fā)展前景。

SRC組合梁的試驗研究成果較多，由于數(shù)值模擬涉及到鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等復(fù)雜的力學(xué)問題，特別是混凝土的特性，導(dǎo)致現(xiàn)有商業(yè)軟件ANSYS， SAP和ADINA等對SRC組合梁的數(shù)值模擬難以取得滿意的結(jié)果，以致這方面的研究成果數(shù)量有限，需要進(jìn)一步的研究加以完善。

本文結(jié)合有限元理論和SRC組合梁的相關(guān)研究成果^［1～7］，采用作者針對單調(diào)荷載作用下 SRC組合梁編制的有限元程序SRCBNP，對剪切性能試驗——1組試件進(jìn)行模擬計算，與試驗結(jié)果對比分析表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。并進(jìn)一步分析相關(guān)參數(shù)對構(gòu)件性能的影響，豐富了SRC組合梁的研究成果。

2. 有限元計算模型

2.1 計算模型的建立

有限元數(shù)值模擬過程中，首先提取實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型，這一過程中采用的處理措施關(guān)系到力學(xué)模型能否與原型結(jié)構(gòu)基本吻合，以致提取的力學(xué)模型能否較好反映真實結(jié)構(gòu)的受力性能，必須考慮實際條件結(jié)合理論分析，提出合理、切實可行的力學(xué)模型。圖1為試件結(jié)構(gòu)的有限元計算模型中單元的劃分，其中試件加載方式根據(jù)試驗情況簡化；同時考慮試驗中組合梁的真實約束情況。

2.2 模型相關(guān)參數(shù)的選取。

根據(jù)試件設(shè)計具體情況，試驗研究混凝土分為

普通和輕骨料混凝土兩種材料，其相關(guān)材性參數(shù)分別為普通混凝土: fc= - 0.67fcu ， ft=0.23fcu， Ec=1.0×105/(2.2+34.7/fm) ；輕骨料混凝土: fc =- 0.76f cu， ft =0.395fcu， Elc=2.02P(f cu，k)；試件模型其他參數(shù)見表1。

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3. 有限元模擬分析

由于SRC組合梁結(jié)構(gòu)，其中涉及到鋼材、混凝土、連接銷釘?shù)葐栴}，在程序編制過程中查閱大量的數(shù)值模擬資料，并結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)理論，在綜合分析的基礎(chǔ)上提出了合理的簡化處理措施，使得程序得以順利完成，計算結(jié)果也基本達(dá)到要求。通過對本文試驗所有斜截面試件進(jìn)行模擬，計算結(jié)果與試驗對比如下。

3.1 構(gòu)件荷載位移曲線。

荷載位移曲線有限元模擬結(jié)果與試驗測試結(jié)果如圖 2所示。 

將所有試件的極限荷載及相應(yīng)的跨中撓度與試驗進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。結(jié)合圖2進(jìn)行分析比較，顯示試件的最大承載力有限元模擬結(jié)果比試驗結(jié)果偏大，偏差在30%以內(nèi)，吻合較好；最大承載力時相對位移比試驗測試結(jié)果小，偏差在40%以內(nèi)，但對于涉及混凝土材料的組合結(jié)構(gòu)而言，也基本滿足要求。同時，對圖2進(jìn)行分析顯示:對于λ=1.0系列試驗結(jié)果與計算結(jié)果吻合較好，而隨著剪跨比λ的增大，試驗結(jié)果與計算結(jié)果偏差較大，且計算結(jié)果得到的剛度、極限承載力均大于試驗結(jié)果，總體規(guī)律也基本一致。

3.2 組合梁裂縫發(fā)展過程。

對所有試件進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)初步分析顯示，所有試件的裂縫、撓度發(fā)展過程基本相同，選擇其中B1 - 1. 5p試件重點分析，對其模擬結(jié)果進(jìn)行整理可以得到試件在不同加載階段的裂縫發(fā)展情況（圖3），圖中陰影部分表示混凝土酥松起皮以至脫落區(qū)域；而組合梁相應(yīng)的撓度發(fā)展過程如圖 4所示。

加載到120KN時，試件只在梁的下部跨中有少量微裂縫產(chǎn)生，見圖3（b） ；加載到240KN時，試件梁的下部跨中部位增加新裂縫，而原裂縫不斷延伸，見圖3（c）；裂縫大部分在240KN至480KN加載段發(fā)展和延伸。從圖3（b）～（e）中的裂縫可以看出，下一加載段增加的裂縫的一部分是上一加載段裂縫的延伸，而其余為新增的，這一裂縫形成規(guī)律充分說明了試件結(jié)構(gòu)受力的機理。

加載至480KN時，構(gòu)件梁上部集中荷載作用部位出現(xiàn)少量混凝土的酥松脫落，見圖3（e）。隨著荷載的加大，混凝土酥松脫落部位增大，到達(dá)780KN時，出現(xiàn)大量混凝土的酥松脫落，構(gòu)件也相應(yīng)達(dá)到極限承載力，見圖3（g）。

通過對裂縫、撓度發(fā)展與試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比分析顯示，數(shù)值模擬現(xiàn)象與試驗記錄現(xiàn)象基本吻合，突出表現(xiàn)在裂縫的開裂和發(fā)展規(guī)律、撓度變化規(guī)律和最后的破壞模態(tài)上。這在一定程度上驗證了數(shù)值模擬程序的合理性。

4. 結(jié)論與建議

在SRC組合梁構(gòu)件的有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，剪跨比λ≤1.0時，組合梁呈現(xiàn)斜壓破壞類型，混凝土表現(xiàn)受壓性能，與現(xiàn)今采用的混凝土材料本構(gòu)較吻合，以致模擬結(jié)果誤差極小；而隨剪跨比的增大，構(gòu)件表現(xiàn)為剪壓破壞類型，與現(xiàn)今采用的混凝土材料本構(gòu)差異較大，模擬結(jié)果誤差增大；剪跨比的進(jìn)一步增大，構(gòu)件趨向于彎剪破壞類型甚至彎曲破壞，與現(xiàn)今采用的混凝土材料拉壓本構(gòu)又逐漸類似，模擬結(jié)果誤差也極小。

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參考文獻(xiàn)

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［4］ 康清梁.鋼筋混凝土有限元分析 ［M ］. 北京: 中國水利水電出版社， 1996.

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［文章編號］1619-2737（2011）09-22-223

［作者簡介］ 劉錦星（1965-），籍貫：江蘇大豐人，職稱：工程師，工作單位：蘇州水利系統(tǒng)從事工程管理與技術(shù)工作。

謝劍學(xué)（1972.10-），男，籍貫：湖南郴州人，學(xué)歷：工學(xué)碩士，職稱：副教授，2000年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)從事混凝土結(jié)構(gòu)方面的科研與教學(xué)工作。