鋼混組合梁結構受力分析與仿真試驗研究

劉 洋

（中交公路規劃設計院有限公司，寧夏 銀川 750000）

隨著我國路橋建設得到快速發展，為城市化進程貢獻了突出力量，使出行更便利[1]。在路橋建設過程中，梁結構應用非常廣泛。梁結構的質量直接決定了整個工程項目的品質，也對后續使用安全和使用效率起決定性因素。在傳統梁結構的設計中，鋼結構梁和混凝土結構梁是2 種非常常見的形式，都曾經在路橋建設中發揮了重要作用[2]。在此基礎上，鋼結構梁和混凝土結構梁在形式上融合，出現組合梁結構。同時，鋼混組合梁使用混凝土材料和鋼材，通過特定的結構設計和特殊的連接方式形成組合式的梁結構，發揮了2 種基本結構的優勢[3]。因此，對鋼混結構梁結構進行力學研究，并有針對性地分析2 種材料不同配置的鋼混組合梁結構的性能，這對設計更合理的鋼混梁結構具有十分重要的意義，這也是該文研究的出發點。

1 鋼混組合梁結構的力學分析模型

鋼混組合梁的結構設計是在鋼結構和混凝土結構的基礎上將2 種結構組合在一起，以達到更好的性能。在設計過程中，要根據工程項目的實際需求，對鋼混材料進行幾何結構層面的合理設計，進而通過調整相應參數達到最佳的設計效果。在該設計過程中依托鋼混梁幾何結構進行力學分析，是確保設計結果準確、可靠的關鍵。

1.1 截面換算分析方法

在截面分析和設計方法的實施過程中，將組合梁中的鋼材和混凝土都假設為不發生塑性變形的彈性材料，那么這2 種材料組合以后仍然是彈性體。同時，忽略連接件的特殊屬性，將其看作梁整體的一部分，并且也都符合彈性體特征。在這樣的假設基礎上，鋼材和混凝土材料之間可能產生的滑移，也可以忽略不計。

從大量的工程項目實踐中可以發現，鋼混組合梁的力學特征和鋼材為主體材料的梁結構更相似。因此，為準確地進行力學分析，可以將鋼混組合梁的截面換算成鋼材為主體材料的梁截面。換算關系如公式（1）所示。

式中：ACS為混凝土和鋼材混合后形成組合梁的截面積；AC為混凝土結構梁的截面積；EC為混凝土結構梁的彈性模量；ES為鋼結構梁的彈性模量。

經過截面換算后，組合梁結構中的混凝土截面都換算成了鋼結構的截面，這樣可以得到其幾何特征，如公式（2）所示。

式中：ySC為組合梁結構完整截面的對稱軸到組合梁截面底部的距離；yC為混凝土梁結構換算截面的對稱軸到組合梁整體截面底部的距離；yS為鋼結構梁換算截面的對稱軸到組合梁整體截面底部的距離；ACS為混凝土和鋼材混合后形成組合梁的截面積；AS為鋼結構梁的截面積；A為混凝土材料換算后組合梁結構的整體截面積。

1.2 截面換算后的力學性能分析

經過截面換算后，梁結構中的混凝土部分需要達到的抗彎性能，如公式（3）所示。

式中：MC為組合梁結構中混凝土部分需要承載的彎矩；fC為合梁結構中混凝土部分能夠提供的抗壓強度；WC為組合梁結構中混凝土部分形成的抗彎截面系數。

經過截面換算后，梁結構中的鋼材部分需要達到的抗彎性能，如公式（4）所示。

式中：MS為組合梁結構中鋼材部分需要承載的彎矩；fS為合梁結構中鋼材部分能夠提供的抗壓強度；Ws為組合梁結構中鋼材部分形成的抗彎截面系數。

進一步可以計算組合梁結構中混凝土部分某一點需要承載的法向力，如公式（5）所示。

式中：σC為梁結構中混凝土部分某一點需要承載的法向力；M為組合梁需要承擔的整體彎矩；yC為混凝土梁結構換算截面的對稱軸到組合梁整體截面底部的距離；IC為組合梁結構中混凝土部分所能達到的慣性矩。

進一步可以計算組合梁結構中鋼材部分某一點需要承載的法向力，如公式（6）所示。

式中：σS為梁結構中鋼材部分某一點需要承載的法向力；M為組合梁需要承擔的整體彎矩；yS為鋼材梁結構換算截面的對稱軸到組合梁整體截面底部的距離；IS為組合梁結構中鋼材部分所能達到的慣性矩。

2 鋼混組合梁結構的力學性能分析試驗

在前文中，基于截面模型法進行鋼混組合梁的力學特性分析，接下來將根據仿真試驗對截面模型分析方法的效果進行檢驗?；谟邢拊Ｐ蜆嫿ㄤ摶旖M合梁的三維仿真形態，如圖1所示。

圖1 鋼混組合梁的仿真結構形態

圖1 中，鋼混組合梁是細小柵格構成的T 型梁結構，上方受到兩處集中載荷的作用，可以考察鋼混梁可能出現的受力和變形情況。

在仿真梁形態基本固定的情況下，對鋼混組合梁的設計內容包括選擇鋼材的型號和混凝土。首先，以C50 型號的混凝土和Q355型的鋼材為主要材料設計鋼混結構梁。為便于細致地考察鋼混結構梁可能出現的各種情況，進一步配置不同比例的鋼纖維，包括4 種形式：第一種是以C50型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料，不配置鋼纖維。第二種是以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料，配置0.5%的鋼纖維。第三種是以C50 型號、Q355型號鋼材的混凝土為主要材料，配置1.0%的鋼纖維。第四種是以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料，配置1.5%的鋼纖維。

首先，比較當4 種材料可承受的極限載荷值和極限載荷發生時對應出現的撓度值，結果如圖2所示。

圖2 4 種型號鋼材對應的極限載荷和對應跨度

從圖2 的結果可以看出，4 種型號材料所承受的極限載荷都大于140kN，并且相差幅度不大。首先，從4 種型號材料可以承受的極限變形來看，以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料效果最好，可以抵御約22mm 的變形；其次，以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并配置1.0%的鋼纖維的材料，可以抵御約20mm 的變形；再次，以C50型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并配置0.5%的鋼纖維的材料，可以抵御約18mm 的變形；最后，以C50型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并不配置鋼纖維的材料，可以抵御約14mm 的變形。

進一步觀察4 種材料配置的組合梁結構撓度變化隨跨中距離遠近的變化，如圖3所示。

圖3 組合梁結構的撓度變化隨跨中距離遠近的變化

圖3 中，橫坐標為測試點距離跨中的距離（X/L），縱坐標是跨中撓度，mm。從這組曲線的變化情況可以看出，4 種材料的最大撓度變化都發生在跨中位置。距離跨中兩側越遠，撓度發生量就越小。從總體上看，以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料，可以承受的撓度變化，一直優于其他3 種材料。

接下來進一步改變材料配置方式，在以T355 型號鋼材為主要材料的基礎上，改變混凝土型號的配置，分別配置C50 型號混凝土、C75 型號混凝土、C100 型號混凝土，從而形成3 種新的配置情況，進一步觀察這3 種材料撓度的變化，結果如圖4所示。

圖4 另外3 種材料下組合梁結構的撓度變化隨跨中距離遠近的變化

圖4 中，橫坐標為測試點距離跨中的距離（X/L），縱坐標是跨中撓度，mm。3 組曲線中，QC50 代表以C50 型號混凝土、T355 型號鋼材的為主要材料的組合梁，QC75代表以C75 型號混凝土、T355 型號鋼材的為主要材料的組合梁，QC100 代表以C100 型號混凝土、T355 型號鋼材的為主要材料的組合梁。

圖4 中3 種材料的最大撓度變化都發生在跨中位置。距離跨中兩側越遠，撓度發生量就越小。3 種材料的組合梁的撓度變化曲線都比較接近，跨中撓度極限值分布在13mm～15mm，差距不大。綜合圖3 和圖4 可以看出，新配置的3 種材料，對最大變形的承受性能，要弱于之前的4 種材料。由此可以看出，組合梁中鋼纖維植入的必要性，可以更大程度地提升鋼混組合梁的性能。該結果也可以表明，為了提升鋼混組合梁結構的力學性能，除了混凝土和鋼筋的合理配置，還要注意鋼纖維的植入，進一步提升梁結構的抗彎性能，從而提升其在載荷情況下抵抗變形的能力。

3 結論

在混凝土結構梁和鋼結構梁基礎上發展起來的組合梁，對路橋工程具有十分重要的意義，其安全性更高、使用范圍更廣。該文依托截面模型分析法，首先，將混凝土材料進行鋼材料的截面換算，進而構建包括截面、撓度、彎矩和抗彎效果等參數的力學分析模型。其次，分別設計7 種材料組合下的混合梁結構，并分析其所能承受的極限載荷值和所能抵抗的最大撓度變形情況。試驗結果表明，組合梁跨中撓度最大，距離跨中越遠，產生的撓度變形越??；從7 種材料的配置情況來看，以C50 型號、Q355 型號鋼材的混凝土為主要材料并配置1.5%的鋼纖維的材料可以達到最好的力學性能效果，這也證明鋼纖維植入對鋼混組合梁具有十分重要的作用。