簡支H型鋼加固混凝土組合梁二次受力下極限承載力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科學研究院有限公司)

簡支H型鋼加固混凝土組合梁二次受力下極限承載力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科學研究院有限公司)

在已有簡支H型鋼加固混凝土組合梁模型實驗[1]基礎上，利用有限元軟件ANSYS建立二次受力下跨中兩點對稱加載簡支H型鋼加固混凝土組合梁有限元模型，分析二次受力對型鋼加固混凝土組合極限承載力的影響。

組合梁、二次受力、有限元分析

一、研究背景

實際加固工程中，加固梁已承受一定初始荷載，加固過程中通常難以完全卸載。對于不完全卸載加固，加固前原結構已經承受一定初始荷載（即第一次受力），加固后新增構件并不立即分擔荷載，而是在新增荷載下（即第二次加載下情況下）才開始受力，這種情況稱為“二次受力”。在已有簡支H型鋼加固混凝土組合梁模型實驗[1]基礎上，利用有限元軟件ANSYS建立二次受力下跨中兩點對稱加載簡支H型鋼加固混凝土組合梁有限元模型，分析二次受力對型鋼加固混凝土組合極限承載力的影響。

二、受力分析方法選取

利用有限元軟件ANSYS的“單元生死”技術模擬二次受力問題。具體實現過程如下：

1.建立模型，包括原梁混凝土、鋼筋單元和后加鋼梁、錨栓、結構膠單元模型。混凝土單元采用有限元單元SOLID 65模擬。鋼筋單元采用Link8單元類型模擬。H型鋼梁單元采用SOLID45單元模擬。高強錨栓采用COMBIN39彈簧單元模擬。結構膠采用COMBIN14彈簧單元模擬[2]。

2．“殺死(ekill ) "后加鋼梁、錨栓、結構膠單元模型；僅保留原梁混凝土、鋼筋單元模型。

3.計算原梁混凝土、鋼筋單元單獨受力模型。

4.將原梁模型分析結果寫入特征文件

5. “激活（ealive )” 后加鋼梁、錨栓、結構膠單元模型。

6.調入特征文件作用于模型，“重啟動”計算

7.進行共同作用階段分析

三、有限元建模

有限元分析，混凝土等各種材料的基本參數的數據設置同試驗所用材料材性相同，便于結果對比研究。主要材料的參數如下：

1.混凝土

混凝土需要輸入的材料參數為彈性模量EC、泊松比μ、抗壓強度fC、抗拉強度ft，裂縫間剪力傳遞系數β，混凝土輸入參數見表1。

2．鋼材

鋼材需要輸入的材料參數為彈性模量Es、強化模量E’s、泊松比μ和屈服強度fy，見表2。

3．建立分析模型

鋼筋混凝土和H型鋼梁分別采用SOLID65和SOLID45實體單元分別建立獨立的模型，劃分網格時須保持混凝土下表面網格和型鋼上表面網格劃分一致，以使兩者組合為整體模型時能形成界面公共節點，便于設置界面剪力連接件的單元。

界面的COMBIN39和COMBIN14彈簧單元均設置在梁跨長向，即界面的縱向，而豎向和橫向節點位移耦合；在兩點對稱集中力處取左右單元加載區設置彈性墊板，墊板底面與混凝土頂面公共節點耦合，協調自由度。

為得到與試驗對應的結果，并進一步進行分析，本文建立Z1、Z2、Z3、Z3A四組有限元模型梁，如表3所示。

四、有限元模型極限承載力對比分析

整理ANSYS有限元分析結果，提取Z1、Z2、Z3、Z3A系列有限元模型數據，并結合試件ZL1～ZL3試驗數據，得極限承載力對比如表4至7所示。

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分析上述各圖表對比結果，可得以下結論：

1.一次受力下Z1至Z3系列加固梁有限元分析得到的極限承載力與實驗值相差在10%以內，二者吻合較好。

2.二次受力下Z1至Z3系列加固梁的極限承載力隨著初始荷載的增大呈降低趨勢，推其主要原因為：初始荷載增大使梁的初始裂縫增多，導致了原梁損傷的增大從而導致了加固梁極限承載力降低。

3.按完全抗剪連接設計的Z1、 Z2、Z3系列加固梁隨初始荷載增加，極限荷載減小率在10%以內，極限荷載受初始荷載影響不大；相比之下按部分抗剪連接設計的Z3A系列加固梁的極限荷載減小率最大能達到13.04%。由此推知，二次受力下剪力連接程度的降低，將導致組合梁的極限承載力下降較大。

[1]李硯波，方超，劉洪立．鋼-混凝土組合結構在加固改造工程中的應用．建筑結構，2007，(01):71～74

[2]李權，ANSYS在土木工程中的應用。北京：人民郵電出版社，2005

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