中穿H型鋼冠梁截面削弱影響研究

黃志波 林奇 鄭春婷

(1.福建農林大學 金山學院 福建福州 350002；2.福建工程學院土木工程學院 福建福州 350108；3.福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350002)

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中穿H型鋼冠梁截面削弱影響研究

黃志波1林奇2鄭春婷3

(1.福建農林大學 金山學院 福建福州 350002；2.福建工程學院土木工程學院 福建福州 350108；3.福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350002)

研究由于中穿H型鋼導致的截面削弱對混凝土冠梁受力變形的影響，對揭示中穿H型鋼混凝土冠梁的受力變形特征及完善其設計理論具有重要意義。采用midas有限元軟件分別建立中穿H型鋼冠梁和實體混凝土冠梁的有限元模型，對比分析其在受力變形的異同點。研究表明：中穿H型鋼混凝土冠梁在荷載作用下，其位移及應力比實體混凝土冠梁的大。中穿H型鋼混凝土冠梁與實體混凝土冠梁的應力分布形式有明顯的不同。因此在設計時需考慮中穿H型鋼對混凝土的削弱作用。

H型鋼;截面削弱;冠梁;邁達斯

0 引言

隨著社會的發展，中穿H型鋼混凝土冠梁廣泛運用于基坑支護工程中，并取得良好的運用效果。然而，至今未見用于設計中穿H型鋼混凝土冠梁的軟件，其設計理論及依據存在空白，致使對中穿H型鋼混凝土冠梁的設計只能借鑒實體混凝土梁的相關理論進行設計。

目前，學者對中穿H型鋼混凝土冠梁進行研究主要集中在介紹具體工程的支護設計參數及其應用效果[1-6]，未見其設計理論或受力特征方面的研究成果。為此，本文基于寧德逸濤商城的基坑工程項目，分別建立截面削弱與否的混凝土冠梁有限元模型，對比分析由于中穿H型鋼導致的截面削弱對混凝土冠梁受力變形的影響，以期有助于完善中穿H型鋼混凝土冠梁的設計理論。

1 工程概況及有限元模型的建立

1.1 工程概況

圖1 H型鋼樁內撐支護體系局部示意圖

(a)冠梁剖面圖 (b)1-1剖面 (c)2-2剖面圖2 冠梁詳圖

圖3 中穿H型鋼混凝土冠梁有限元模型

寧德逸濤商城的基坑工程地質情況及周邊環境較為復雜，采用H型鋼樁+鋼管內撐的支護形式，局部示意圖如圖1所示。根據理正深基坑軟件對圖1的典型支護剖面的計算，可知H型鋼的剪力約為60kN。將H型鋼作用在冠梁的荷載近似視為均布荷載，分布長度為H型鋼的翼緣寬度，則荷載集度為200kN/m。中穿H型鋼冠梁圖如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

在H型鋼樁+鋼管內撐支護體系中，冠梁的內力主要是由于H型鋼樁的相對變形導致的。如圖1所示，由于支撐的存在，使得冠梁兩端和中間有鋼支撐處H型鋼的位移相對其他位置的較小，可將中穿H型鋼混凝土冠梁簡化為兩端固定其余簡支的8跨連續梁。

在結構計算中，對于等跨度、荷載和支承條件相同的連續梁除了端部兩跨內力外，其他所有中間跨的內力較為接近。再者，本文旨在研究由于中穿H型鋼導致的截面削弱對混凝土冠梁受力變形的影響，故將上述8跨連續梁簡化為跨度為8700mm、荷載為100kN/m、兩端固定其余簡支的5跨等跨度連續梁。采用邁達斯有限元軟件建立上述5跨等跨度連續梁三維有限元模型，如圖3所示(模型單元數為916 929個)。其中，混凝土采用實體單元模擬，鋼筋采用植入式桁架模擬。

2 截面削弱對混凝土梁變形和受力影響分析

為了分析中穿H型鋼混凝土冠梁中截面削弱對其受力變形的影響，按照1.2的方法建立實體混凝土冠梁的有限元模型(模型單元數為972 666個)。該模型與圖3的區別僅在于：該模型是實體的，而圖1模型中存在H型鋼形狀的截面削弱處。其局部對比圖如圖4所示。

(a)中穿H型鋼模型 (b)實體模型圖4 中穿H型鋼模型與實體模型的局部不同對比圖

圖5 跨中Z方向位移

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖6 Z方向位移云圖

2.1 位移分析

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下各跨跨中Z方向(與豎向荷載方向平行)的位移如圖5～圖6所示。限于篇幅僅列出兩種冠梁中間跨Z方向的位移云圖(圖中同一顏色表示相同的數值)如圖7所示。由圖5～圖7可知：

①兩種冠梁跨中Z方向位移呈現，邊跨跨中大，中間各跨跨中小的規律。

②兩種冠梁中間各跨跨中位移近似相等，邊跨跨中位移比中間的約大3.2%。

③中穿H型鋼混凝土冠梁各跨跨中的位移比實體混凝土冠梁對應跨跨中的位移約大51%。

④在同一跨Z方向位移，兩種冠梁均呈現中間大，兩端小的規律。

⑤中穿H型鋼混凝土冠梁中的H型鋼空洞出現明顯的變形，且越靠近跨中變形越明顯。這是由于H型鋼空洞截面的存在，使得中穿H型鋼混凝土冠梁內部產生明顯的相對位移，而在跨中處相對位移幾乎為零。而實體混凝土冠梁中的沒有明顯的相對位移。

2.2 混凝土應力分析

(1)X方向應力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下中間跨X方向的應力云圖(圖中同一顏色表示相同的數值)如圖7所示。由圖7可知：

①中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁的最大拉壓應力均在梁頂(底)。由于H型鋼形狀削弱截面的存在，使得中穿H型鋼混凝土冠梁X方向應力分布比實體混凝土冠梁復雜。

②中穿H型鋼混凝土冠梁在削弱截面的翼緣處存在應力集中，且越靠近支座應力集中越明顯。而實體混凝土冠梁在相應位置應力集中不明顯。

③總體上同一截面上，中穿H型鋼混凝土冠梁的最大拉壓應力均大于實體混凝土。中穿H型鋼混凝土冠梁最大拉應力比實體混凝土的大25.7%～29.7%，最大壓應力比實體混凝土的大8.1%～40.1%。同時，中穿H型鋼混凝土冠梁沿梁高的應力分布呈兩端大、中間小的規律，近似為“s”分布。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖7 X方向應力云圖

(2)Z方向應力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下中間跨Z方向應力如圖8所示(圖中同一顏色表示相同的數值)，通過對比、分析圖8中的(a)和(b)可知：

①中穿H型鋼混凝土冠梁由于H型鋼形狀削弱截面的存在，使其在H型鋼削弱截面翼緣端部處出現明顯的應力集中，同時使其應力分布規律比實體混凝土更為復雜。

②中穿H型鋼混凝土冠梁翼緣端部處的應力集中越靠近支座越明顯，而在跨中處不明顯。在支座邊緣處的下部翼緣端部拉應力達到最大為1.64MPa，而實體混凝土冠梁對應區域的最大拉應力僅為0.15MPa。

③中穿H型鋼混凝土冠梁支座處應力集中比實體混凝土冠梁明顯。前者最大壓應力為1.84MPa，后者為1.69MPa。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖8 Z方向應力

(3)mises應力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下mises應力如圖9所示(圖中同一顏色表示相同的數值)。通過對比、分析圖8中的(a)和(b)可知：

①兩種冠梁mises應力較大的區域主要集中在支座及其邊緣區域，且中穿H型鋼混凝土冠梁該區域的數值比實體混凝土大。

②兩種冠梁mises應力最大值均在支座處，且中穿H型鋼的(3.33MPa)比混凝土(3.12MPa)大。

③中穿H型鋼混凝土冠梁mises應力沿總體呈現梁頂和梁底大，梁中小的規律，且在支座及其邊緣處，該規律越明顯。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖9 mises應力

2.3 鋼筋應力分析

(1)縱筋應力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下縱筋應力如圖10所示(圖中同一顏色表示相同的數值)，各排(從梁頂算起)縱向鋼筋應力如表1所示。由圖10和表1可知：

表1 縱向鋼筋最大應力(MPa)

①兩種冠梁縱筋應力分布規律相似。梁端部兩排的鋼筋應力比中間兩排大；支座處的鋼筋應力比跨中大。

②中穿H型鋼混凝土冠梁的縱筋發揮強度比實體混凝土的大。

(2)箍筋應力

中穿H型鋼混凝土冠梁和實體混凝土冠梁在荷載作用下Z方向箍筋應力如圖11所示(圖中同一顏色表示相同的數值)。通過對比、分析圖11中的(a)和(b)可知：

①實體混凝土冠梁箍筋應力在支座處均為壓應力，最大壓應力(2.21MPa)在支座處的下部箍筋處，最大拉應力(1.39MPa)在跨中的上部箍筋和支座邊緣處的下部箍筋處。而穿H型鋼混凝土冠梁最大箍筋應力在支座邊緣處H型鋼截面削弱靠近支座側(頂部壓應力為3.06MPa，底部拉應力為3.37MPa)。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖10 縱筋應力

②實體混凝土冠梁的箍筋應力在支座邊緣處下部箍筋軸向應力立即變為拉應力(且接近最大值)，而上部仍然為壓應力。該拉應力值沿跨長方向逐漸減小，在約1/4跨長處變為壓應力。該壓應力沿跨長方向逐漸增加，約在跨中處達到最大值。上部箍筋軸向應力由支座邊緣處的壓應力沿跨長方向逐漸減小，在約1/4跨長處變為拉應力。該拉應力沿跨長方向逐漸增加，約在跨中處達到最大值。而中穿H型鋼混凝土冠梁由于H型鋼削弱截面的存在，使得箍筋應力分布規律變得極其復雜。

(a) 中穿H型鋼冠梁

(b)實體混凝土冠梁圖11 箍筋應力

3 結論

中穿H型鋼混凝土冠梁不能簡單地參照實體混凝冠梁，采用理正工具箱等軟件進行設計計算。通過邁達斯軟件建立的模型對比分析可知：

(1)中穿H型鋼混凝土冠梁的變形比實體混凝冠梁大，且內部存在相對位移。

(2)中穿H型鋼混凝土冠梁鋼筋及混凝土的應力總體上均大于實體混凝土冠梁，且其分布形式比實體混凝土更為復雜。

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Study on the influence of section weakening of reinforced concrete crown top beam through H steel

HUANGZhibo1LINQi2ZHENGChunting3

(1.College of Jinshan, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002; 2.College of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118； 3.Fujian Jianzhuan geotechnical engeering co.ltd, Fuzhou 350002)

Study on the section weaked by through H steel that cause the influence of forced deformation of concrete top beam. It have the important meaning ,which can reveal the stress and deformation characteristics of section weakening top beam and improve the design method and theory .By using Midas finite element software to establish the model of the simply supported top beam through H steels, some problems of the design process were analyzed. The results show that the displacement and stress of the H steel reinforced concrete crown beam are larger than that of the concrete crown beam under load; the stress distribution of the H steel reinforced concrete crown beam and concrete crown beam is obviously different. Therefore, it is necessary to consider the weakening effect of H steel in concrete design.

H Steel; Section weakening; top beam; Midas

福建省中青年教師教育科研項目(JA15641)；福建省大學生創新創業訓練計劃項目(201614046022)。

黃志波(1988- )，男，講師。

E-mail:523052465@qq.com

2017-03-08

TU4

A

1004-6135(2017)08-0076-05