型鋼混凝土梁正截面承載力優(yōu)化分析

賈瑞濤

(西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710065)

1 簡(jiǎn)介

型鋼混凝土構(gòu)件卓越的強(qiáng)度和延性以及良好的吸能能力使得型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有了超強(qiáng)的抗震性能。為了能夠更深入的了解型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的性能，近年各國(guó)學(xué)者對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究[1］。

本研究的目的是在探討型鋼混凝土梁構(gòu)件內(nèi)置型鋼的上翼緣寬度的最佳模式。故應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，進(jìn)行15個(gè)型鋼混凝土梁構(gòu)件的單調(diào)加載非線性模擬，此15個(gè)型鋼混凝土梁構(gòu)件在其他條件相同的情況下，只改變型鋼混凝土梁內(nèi)置型鋼的上翼緣寬度，從0倍～1.5倍下翼緣寬，進(jìn)行單調(diào)加載模擬，以得到與上翼緣寬度參數(shù)有關(guān)的梁構(gòu)件承載力特征值曲線(見(jiàn)圖1)。

圖1 型鋼混凝土梁改變內(nèi)置型鋼上翼緣寬度示意圖

本文進(jìn)行模擬的型鋼混凝土梁的截面如圖2，圖3所示，跨度為1 500 mm。

圖2 型鋼混凝土梁截面

圖3 內(nèi)置型鋼截面

材料性質(zhì):混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80;型鋼采用Q235，fa=210 N/mm2;縱向鋼筋采用 HPB235，fy=210 N/mm2;箍筋采用 HPB235，fyv=210 N/mm2。

2 有限元模擬

2.1 材料特性

鋼筋:當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，鋼筋會(huì)發(fā)生塑性變形，所以鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線采用的是完全彈塑性模型，其彈性階段的彈性模量ES=200 GPa。

型鋼:型鋼的鋼材模型在單軸情況下和鋼筋是相似的，其泊松比VS=0.3，彈性模量ES=200 GPa，但是在多軸受力的情況下，用von Mises屈服準(zhǔn)則來(lái)斷定型鋼的屈服[2］如下:

角標(biāo)1，2，3分別為各軸的應(yīng)力。

混凝土:混凝土的泊松比取Vs=0.2。相對(duì)于單軸抗壓強(qiáng)度，混凝土受約束時(shí)的抗壓強(qiáng)度有大幅的提高(如圖4所示)，其約束混凝土強(qiáng)度[3］的提高程度可由式(2)，式(3)計(jì)算:

圖4 約束混凝土強(qiáng)度提高示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

型鋼混凝土梁截面有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示，梁整體有限元模型示意圖如圖6所示。

圖5 梁截面有限元網(wǎng)格劃分

圖6 梁構(gòu)件有限元模型示意圖

2.3 有限元分析結(jié)果

通過(guò)位移加載的模式進(jìn)行加載，直至梁構(gòu)件破壞，其有限元模擬各階段的特征值如表1所示。

將上翼緣尺寸變化與主要特征值分別繪制成曲線，示意圖如圖7所示。

2.4 數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

由圖7可以看出，其他條件不變的情況下，型鋼混凝土梁構(gòu)件的承載力并不是隨上翼緣的增大而增加，在上翼緣和下翼緣之比為0～0.7時(shí)梁的承載力不斷增加，0.8以上時(shí)梁的承載力仍在增加，但是增加的緩慢，1以上時(shí)，幾乎不增加。由此可推斷，在上下翼緣之比為0.7～0.8時(shí)，型鋼混凝土梁構(gòu)件的受力模式最佳，型鋼材料與混凝土材料發(fā)揮各自作用。在其他范圍內(nèi)梁構(gòu)件的 受力模式均較差。

表1 構(gòu)件模擬結(jié)果的特征值

圖7 上翼緣尺寸變化曲線

通過(guò)對(duì)型鋼混凝土梁構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，以及對(duì)有限元模擬過(guò)程的深入研究可知:首先，型鋼混凝土梁構(gòu)件中的型鋼上、下翼緣對(duì)核心區(qū)的混凝土有包裹作用，當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)，其截面核心區(qū)的混凝土強(qiáng)度有所提高。其次，型鋼混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度在一定程度上取決于型鋼和混凝土的共同作用，研究證明:內(nèi)置與混凝土構(gòu)件的型鋼不僅能起到橫向和縱向鋼筋的作用，而且能給型鋼翼緣內(nèi)部的混凝土提供一定量的壓力約束，使得型鋼翼緣內(nèi)部的部分混凝土在受力時(shí)處于一種三軸受壓狀態(tài)。而另一方面，翼緣內(nèi)的混凝土給予型鋼有效的支撐，翼緣外的混凝土也對(duì)型鋼有一定的約束作用，大幅提高了型鋼構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。然而，型鋼混凝土構(gòu)件在受力時(shí)，型鋼和混凝土界面存在粘結(jié)滑移，并且在粘結(jié)滑移發(fā)生時(shí)，構(gòu)件承載力明顯降低，當(dāng)粘結(jié)滑移失效時(shí)，構(gòu)件的承載力下降至80%～90%，所以粘結(jié)滑移是影響型鋼混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的重要因素之一。再次由于型鋼翼緣與核心區(qū)的混凝土的約束作用，在一定程度上延遲了翼緣內(nèi)側(cè)和腹板兩側(cè)的型鋼和混凝土界面的粘結(jié)滑移?？傊?，型鋼和混凝土之間的相互作用是型鋼混凝土構(gòu)件高承載力和抗震性能的保證[4］。

3 結(jié)語(yǔ)

1)型鋼混凝土梁內(nèi)置型鋼的上下翼緣之比為0.7～0.8范圍時(shí)，對(duì)核心區(qū)混凝土有高效約束，同時(shí)核心區(qū)的混凝土對(duì)翼緣有有效的支撐，在此范圍內(nèi)型鋼、鋼筋和混凝土能充分發(fā)揮其力學(xué)性能，即達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)模式;

2)型鋼混凝土梁內(nèi)置型鋼上下翼緣之比低于0.7時(shí)由于型鋼不能對(duì)核心區(qū)的混凝土形成有效包裹，不能形成高效約束，不利于抵抗粘結(jié)滑移的發(fā)生;

3)型鋼混凝土梁內(nèi)置型鋼上下翼緣之比高于0.8時(shí)，再拓寬內(nèi)置型鋼的上翼緣寬度是不經(jīng)濟(jì)的。

[1]Hsuan-Teh Hu，M.ASCE，Chiung-Shiann Huang，et al.Nonlinear Analysis of Axially Loaded Concrete-Filled Tube Columns with Confinement Effect[J］.Journal of Structural Engineering，2003，129(10):1322-1329.

[2]Qingxiang Wang，Dazhou Zhao，Ping Guan.Experimental Study On The Strength And Ductility Of Steel Tubular Columns Filled With Steel-Reinforced Concrete[J］.Engineering Structures，2004(26):907-915.

[3]J.B.Mander，M.J.N.Priestley，R.Park，et al.Theoretical Stress-Strain Model For Confined Concrete[J］.Journal of Structural Engineering，1986，114(8):1804-1825.

[4]曾 磊，鄭山鎖，查春光，等.型鋼混凝土矩形截面梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(S2):184-187.