T型鋼骨混凝土梁動力性能研究

段圣允 （沈陽貴聚建設工程有限公司，遼寧 沈陽 110020）

1 前言

把鋼筋混凝土結構和鋼結構組合形成的鋼骨混凝土結構，與純鋼筋混凝土結構、純鋼結構相比具有許多力學性能上的優點，經常被用作高層建筑、超高層建筑的底部受力構件[1]。

專家學者也從多個方面對T形鋼骨混凝土梁的力學性能進行了分析研究。韓建強[2]對實腹式鋼骨混凝土T形梁進行靜力加載試驗，對其設計理論、破壞機理進行了分析；楊松[3]對T型鋼骨混凝土梁做了大量往復荷載試驗，對構件的延性進行了研究；李明偉[4]通過理論分析，對T梁的正截面抗彎及斜截面抗剪設計公式進行了推導。

T形鋼骨混凝土梁現有的研究主要集中在靜力荷載方面而對其在動力荷載下性能的研究存在不足，無論是在施工階段還是在使用階段沖擊現象又經常發生，所以很有必要對其沖擊荷載下的動力性能開展研究。文章借助有限元軟件ABAQUS對5根2組T形鋼骨混凝土梁進行數值模擬，分析T形鋼骨混凝土梁在沖擊荷載下的動力性能。

2 試件設計

本文共設計了5根2組（一組沖擊速度不同、一組邊界條件不同）T型鋼骨混凝土梁，5根試件的幾何參數、配筋完全相同。以沖擊速度V=4m/s、兩端固定梁為標準工況，構件跨度3000mm，T形梁截面尺寸b×h=150mm×300mm，b′f×h′f=300mm×80mm。腹板下部的縱筋采用強度HRB400、直徑12mm的鋼筋，并放置2根；翼緣縱筋為強度HPB300、直徑10mm的鋼筋，共計10根；箍筋采用直徑8mm、強度HPB300的鋼筋，箍筋間距150mm。內置的T形鋼骨采用3塊厚度6mm、強度Q235的鋼板焊接而成。受力鋼筋保護層厚度取為15mm；混凝土強度30MPa。沖擊圓柱體重5.5kN，對T梁跨中部位進行沖擊。T形構件的橫截面如圖1所示，數值模型見圖2。

圖1 T形梁橫截面

圖2 數值模型

3 結果分析

繪制T形鋼骨混凝土梁在不同參數下的沖擊力時程曲線和位移時程曲線，結果如下。

圖3 不同速度下的動力性能

3.1 沖擊速度的影響

不同沖擊速度下的沖擊力時程曲線如圖3（a）所示。速度取4m/s、6m/s、8m/s時的沖擊力時程曲線形狀相同，根據形狀特點可大致劃分成峰值段、平臺段、下降段3個不同的階段；在峰值段，圓柱體下落與T形鋼骨混凝土梁接觸，沖擊力數值由零立刻達到最大，然后又迅速下降；在平臺段，圓柱體和T形梁緊貼在一起向下運動，沖擊力維持一個數值長時間不變；下降段，圓柱體與T形梁逐漸分離，沖擊力下降為零。當沖擊速度增大的時候，沖擊力峰值也不斷增大但上升的幅度不同（462kN、1615kN、2374kN，6m/s、8m/s較4m/s的沖擊力峰值分別增加了249.6%、413.9%）；但沖擊力平臺值都集中在210kN附近，變化不大，相鄰速度間的持續時間分別延長了2.8ms、4ms。

由圖3（b）不同速度下的T梁跨中位移時間曲線可以發現，速度4m/s時的構件在18.1ms時刻取得極限位移15mm、位移最終殘留在11.4mm，速度6m/s和8m/s比速度4m/s的極限位移出現時間延長了15.5%、35.8%，極限位移上升了99.4%、225.7%，殘余位移增大了155.5%、352.7%。

3.2 邊界條件的影響

沖擊速度取為4m/s，邊界約束條件不同時的沖擊力時程曲線如圖4（a）所示。T形梁不同邊界條件下的沖擊力峰值變化不大，一直在462kN附近波動；一端固定一端簡支梁、兩端簡支梁比兩端固定梁的沖擊力平臺值分別減少了29.6%和49.2%，但平臺值經歷的時間不斷延長。

圖4（b）是不同邊界條件下的位移時程曲線。由圖4（b）可以發現，兩端固定梁的跨中位移極值、殘余值最小；兩端簡支梁的跨中位移極值、極值出現時間、殘余位移值與兩端固定梁相比分別增大了73.9%、53.3%、63.7%；一端固定一端簡支梁的位移增長、出現時間延遲均小于兩端簡支梁。這大概是因為沖擊速度一定時，沖擊動能固定，固定的支座比簡支的支座在沖擊過程中要消耗掉更多能量，導致用于跨中變形的能量減少。

4 結論

針對施工階段、正常使用階段偶然發生的沖擊荷載，本文借助有限元仿真軟件ABAQUS對T形鋼骨混凝土梁在不同沖擊速度速度、不同邊界條件下的動力性能進行了數值模擬，得到如下基本結論。

①沖擊速度對T型鋼骨混凝土梁的動力性能影響顯著。隨著沖擊速度的增加，T形鋼骨混凝土梁受到的沖擊力數值提高，跨中位置變形程度加劇。

②邊界條件對T形鋼骨混凝土梁的動力性能影響明顯。在邊界約束條件逐漸弱化的過程中，T形鋼骨混凝土梁的沖擊力平臺值減小，跨中位移增大，但沖擊力峰值保持幾乎不變。

圖4 不同邊界條件下的動力性能