簡支鋼—混凝土組合箱梁有限元分析★

于 廣 龍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

簡支鋼—混凝土組合箱梁有限元分析★

于 廣 龍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究簡支鋼—混凝土組合梁在荷載作用下的受力性能，采用有限元軟件ANSYS對(duì)某鋼—混凝土組合箱梁進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)此類組合梁進(jìn)行研究和分析,研究表明：在彈性范圍內(nèi)，鋼混組合梁荷載與撓度基本上呈線性關(guān)系；采用ANSYS軟件可以準(zhǔn)確的模擬組合梁的受力過程。

鋼—混凝土組合梁,受力性能,有限元,ANSYS

1 概述

近年來，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)以其良好的工作性能在高層建筑和大跨橋梁等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到推廣[1,2]。隨著鋼—混組合結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，研究理論得到了快速地發(fā)展。聶建國等[3]通過簡歷微分方程，考慮了鋼混組合梁的滑移，提出了折減剛度法，并計(jì)算鋼混組合梁的抗彎剛度與截面剛度，且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好；霍軍會(huì)等[4]通過ANSYS軟件對(duì)鋼混雙面組合連續(xù)梁進(jìn)行非線性有限元分析，分析了此類梁的極限承載力和截面應(yīng)力等內(nèi)容。此外國內(nèi)外還對(duì)組合梁的滑移、剪力連接件、開裂、極限承載力等內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究[5,6]。本文主要針對(duì)簡支鋼—混凝土組合箱梁進(jìn)行有限元模擬，并進(jìn)行撓度和應(yīng)力應(yīng)變的分析。

2 有限元建模

2.1計(jì)算假定

采用有限單元法分析鋼混組合梁時(shí)，為便于計(jì)算作出如下假定：混凝土和鋼板的材料均為理想彈塑性，忽略混凝土的收縮徐變和材料非線性；板的承托面積忽略不計(jì)；鋼板與混凝土板通過剪力連接件連接良好，二者之間無滑移。

2.2算例簡介

某等截面鋼—混組合簡支箱梁，上部混凝土翼板為C30混凝土，并配有構(gòu)造鋼筋，下部采用4 mm厚Q235鋼板。鋼梁與混凝土板之間采用栓釘連接，栓釘直徑8 mm，長10 mm，栓釘沿兩肋板分別分兩列均勻布設(shè)，縱向間距100 mm。C30混凝土彈性模量Ec=3×104MPa，剪切模量G=0.81×105MPa。抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 MPa，泊松比為0.2。Q235鋼的彈性模量Es=2.1×105MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa，泊松比為0.3。梁總長3 000 mm，計(jì)算跨徑2 900 mm，梁高160 mm，采用三分點(diǎn)加載方式。其他尺寸見圖1。

2.3單元類型的選取

鋼板選用Solid45單元模擬，Solid45單元是比較常用的八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，并且可退化成四面體或棱柱體，用于構(gòu)建三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)為各項(xiàng)同性，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有x,y,z三個(gè)方向的自由度。單元包括大應(yīng)變、大變形、應(yīng)力強(qiáng)化、蠕變、塑性、膨脹等特殊性能。

混凝土板也選取Solid45單元模擬，ANSYS軟件中具有專門描述混凝土壓碎和開裂的Solid65單元，與Solid45單元較為相似，可以分析處理混凝土材料的非線性特征。但是本文分析的鋼混組合梁的材料均假設(shè)為理想彈性體，不分析混凝土的開裂和壓碎等非線性問題，因此本文選取Solid45單元來模擬混凝土板。

2.4建立有限元模型

支座處和加載位置建立墊塊。按照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際加載位置建立簡支鋼混組合箱梁模型，見圖2。鋼板選用理想的彈塑性本構(gòu)模型，忽略下降段，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1組合梁的撓度分析

如圖4所示為組合梁在荷載作用下的位移云圖，由圖4可知組合梁的豎向撓度關(guān)于跨中位置對(duì)稱，由支點(diǎn)位置向跨中逐漸增大。圖5為組合梁跨中位置的荷載—撓度曲線。由圖5可知，梁受力情況與均質(zhì)彈性體相似，跨中撓度隨著荷載的增加而線性增加；有限元分析值與試驗(yàn)值吻合良好，證明了ANSYS模型的準(zhǔn)確性。

3.2組合梁的應(yīng)力應(yīng)變分析

組合梁跨中截面應(yīng)變曲線如圖6所示，由圖6可知，加載過程中截面基本滿足平截面假定，受壓區(qū)高度基本保持不變。圖7為加載8 kN時(shí)的鋼箱梁應(yīng)力云圖。

4 結(jié)語

通過對(duì)3 m簡支鋼—混凝土組合箱梁進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論：1)本文建立的ANSYS有限元模型能夠較好的模擬簡支鋼—混凝土組合箱梁在彈性階段的加載過程，為今后對(duì)同類組合梁的荷載試驗(yàn)和受力性能研究提供了參考價(jià)值。2)鋼—混凝土組合梁在彈性階段內(nèi)，位移和應(yīng)變均隨著荷載的增加而線性增加，且組合梁在該階段內(nèi)符合平截面假定。

[1] 鄧青兒,于 洋,湯岳飛.大跨徑鋼—混凝土組合梁在老橋改建中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2016,46(1):59-64.

[2] 李 天,樊 嘉,管振華.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在樓層加層中的應(yīng)用研究[A].全國工程結(jié)構(gòu)安全檢測鑒定與加固修復(fù)研討會(huì)[C].2015.

[3] 聶建國,余志武.考慮滑移效應(yīng)的鋼—混凝土組合梁變形計(jì)算的折減剛度法[J].土木工程學(xué)報(bào),1995(6):11-17.

[4] 霍軍會(huì),段樹金,周慶東.基于ANSYS的鋼—混雙面組合連續(xù)梁非線性有限元分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2008(4):103-106.

[5] 聶建國,王洪全.鋼—混凝土組合梁縱向抗剪的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1997,18(2):13-19.

[6] 余志武,蔣麗忠,李 佳.集中荷載作用下鋼—混凝土組合梁界面滑移及變形[J].土木工程學(xué)報(bào),2003,36(8):1-6.

Finiteelementanalysisofsimplysupportedsteel-concretecompositeboxgirder★

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the mechanical behavior of simply supported steel-concrete composite beams under load, the finite element software ANSYS was used to simulate the steel-concrete composite box girder. Research and analysis of such composite beams. The results show that the load and deflection of the steel-concrete composite beams are basically linear in the elastic range. ANSYS software can accurately simulate the process of the composite beams.

steel-concrete composite beams, mechanical behavior, finite element, ANSYS

1009-6825(2017)28-0039-02

2017-07-24★：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2572015BB20)

于廣龍(1989- )，男，工程師

U448.38

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