新型外包鋼—砼組合梁彎剪扭的非線性有限元模擬

高云

摘 要：基于3根新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁在彎剪扭作用下的試驗成果，采用ANYSY參數化程序設計語言（APDL）編制了命令流，對彎剪扭作用下組合梁的受扭性能進行了非線性有限元分析（FEM）。FEM分析考慮了鋼筋與混凝土間的相互作用以及鋼與混凝土間的相互作用，較好地模擬了新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁的受力、破壞全過程，從而驗證了運用ANYSY對構件受扭性能進行模擬計算的有效性，為組合梁設計提供了實用的計算軟件。

關鍵詞：混凝土；彎剪扭作用；有限元模擬；滑移模型

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.108

新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁是在彌補傳統普通工字鋼-混凝土組合梁缺點的基礎上提出的一種新型組合梁。新型外包鋼-混凝土組合梁能充分發揮混凝土抗壓強度高、鋼材抗拉性能好的優勢，組合效應顯著。組合梁是一種復合構件，受扭性能非常復雜，國內外對組合梁受扭性能的研究相對較少。本文在試驗研究的基礎上，采用ANSYS參數化程序語言（APDL）編制了命令流，對不同彎剪扭作用下組合梁的受力性能進行了非線性有限元分析。

1 研究對象

本文選取了彎剪扭作用下的3根組合梁進行分析，3根組合梁的截面尺寸相同。混凝土的實測強度fc=20.4 MPa；鋼筋采用Φ6，實測屈服強度fy=345 MPa；鋼板采用Q235鋼，厚4 mm的鋼板實測屈服強度fy=354 MPa，厚8 mm的鋼板實測屈服強度fy=288 MPa。

組合梁構件的SBD3彎扭比為1∶1，SBD4彎扭比為3∶1；SBD5彎扭比為5∶1.

2 有限元模型和本構關系

2.1 混凝土和鋼筋有限單元模型

混凝土采用ANSYS程序提供的三維八節點實體單元（Solid65）。組合梁中的鋼筋采用三維桿單Link8。

2.2 “U”形外包鋼與墊塊有限單元模型

“U”形外包鋼采用Shell181殼單元，而墊塊采用三維八節點實體單元（Solid45）。

2.3 外包鋼與混凝土的滑移模型

本文采用在外包鋼與混凝土界面上栓釘對應節點處設置長度為零的非線性彈簧單元Combin39這一方法來模擬外包鋼與混凝土的黏結滑移問題，彈簧的一端連接外包鋼板單元節點，另一端連接混凝土單元節點。

2.4 混凝土的本構關系

在ANSYS程序中，利用多線性等向強化模型MISO來表達應力應變關系。

2.5 混凝土的破壞準則

ANSYS中采用的失效模型是William and Warnke五參數強度模型，五個參數由試驗確定。混凝土所取有關參數為：開裂剪力傳遞系數βt=0.5，閉合剪力傳遞系數βc=1.0，抗拉強度ft=1.941 MPa，單軸抗壓強度fc=-1（不考慮混凝土壓碎），其他參數采用William and Warnke強度模型的默認值。

2.6 鋼筋和“U”形外包鋼的本構關系

假設鋼筋和“U”形外包鋼為理想彈塑性材料，不考慮強化段，則受拉和受壓方向相同。本文所采用鋼材的泊松比為0.3，抗拉強度與屈服強度取實測值。

此外，混凝土徐變、收縮效應的影響因素較多，表現形式也較為復雜，本文僅討論短期荷載作用下梁的受扭情況。

2.7 黏結滑移的本構關系

采用如下本構關系：

3 有限元模型的建立和求解

本文根據構件實際情況建立起有限元模型，約束模型一端節點的所有自由度，從而模擬懸臂梁的固定端。在梁的自由端，沿加載鋼梁外側的節點施加節點集中力等效合成扭矩，在底部節點施加向上的節點力模擬施加的彎矩和剪力。同樣采用彈簧單元來模擬外包鋼與混凝土之間的黏結滑移，不考慮混凝土的壓碎情況。

4 有限元分析結果

由于篇幅限制，本文僅截取SBD3梁和SBD4梁的部分成果圖。SBD3梁的扭矩-扭率曲線如圖1所示，SBD4梁扭矩-扭率和跨中撓度曲線如圖2所示。

5 結論

本文運用ANSYS軟件對新型外包鋼-混凝土“T”形截面組合梁在彎剪扭作用下的構件進行了非線性有限元分析，并與實驗結果進行了對比，得到如下結論：①非線性有限元數值方法能較好地對新型組合梁的彎剪扭性能進行模擬；②由于對混凝土材料本身性質的模擬與實際情況有一定的差距，而且本文所采用的黏結滑移本構關系與實際滑移的情況也有差距，所以無論是極限荷載，還是變形曲線和試驗，均存在一定的誤差，因此，需要對混凝土材料性質和滑移的模擬進行進一步的研究。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕