型钢混凝土梁正截面承载力优化分析

贾瑞涛

(西北勘测设计研究院，陕西西安 710065)

1 简介

型钢混凝土构件卓越的强度和延性以及良好的吸能能力使得型钢混凝土结构具有了超强的抗震性能。为了能够更深入的了解型钢混凝土结构的性能，近年各国学者对型钢混凝土结构进行了大量的研究[1］。

本研究的目的是在探讨型钢混凝土梁构件内置型钢的上翼缘宽度的最佳模式。故应用有限元软件ABAQUS，进行15个型钢混凝土梁构件的单调加载非线性模拟，此15个型钢混凝土梁构件在其他条件相同的情况下，只改变型钢混凝土梁内置型钢的上翼缘宽度，从0倍～1.5倍下翼缘宽，进行单调加载模拟，以得到与上翼缘宽度参数有关的梁构件承载力特征值曲线(见图1)。

图1 型钢混凝土梁改变内置型钢上翼缘宽度示意图

本文进行模拟的型钢混凝土梁的截面如图2，图3所示，跨度为1 500 mm。

图2 型钢混凝土梁截面

图3 内置型钢截面

材料性质:混凝土强度等级C80;型钢采用Q235，fa=210 N/mm2;纵向钢筋采用 HPB235，fy=210 N/mm2;箍筋采用 HPB235，fyv=210 N/mm2。

2 有限元模拟

2.1 材料特性

钢筋:当构件中的钢筋超过屈服应力时，钢筋会发生塑性变形，所以钢筋的应力应变曲线采用的是完全弹塑性模型，其弹性阶段的弹性模量ES=200 GPa。

型钢:型钢的钢材模型在单轴情况下和钢筋是相似的，其泊松比VS=0.3，弹性模量ES=200 GPa，但是在多轴受力的情况下，用von Mises屈服准则来断定型钢的屈服[2］如下:

角标1，2，3分别为各轴的应力。

混凝土:混凝土的泊松比取Vs=0.2。相对于单轴抗压强度，混凝土受约束时的抗压强度有大幅的提高(如图4所示)，其约束混凝土强度[3］的提高程度可由式(2)，式(3)计算:

图4 约束混凝土强度提高示意图

2.2 网格划分

型钢混凝土梁截面有限元网格划分如图5所示，梁整体有限元模型示意图如图6所示。

图5 梁截面有限元网格划分

图6 梁构件有限元模型示意图

2.3 有限元分析结果

通过位移加载的模式进行加载，直至梁构件破坏，其有限元模拟各阶段的特征值如表1所示。

将上翼缘尺寸变化与主要特征值分别绘制成曲线，示意图如图7所示。

2.4 数据及结果分析

由图7可以看出，其他条件不变的情况下，型钢混凝土梁构件的承载力并不是随上翼缘的增大而增加，在上翼缘和下翼缘之比为0～0.7时梁的承载力不断增加，0.8以上时梁的承载力仍在增加，但是增加的缓慢，1以上时，几乎不增加。由此可推断，在上下翼缘之比为0.7～0.8时，型钢混凝土梁构件的受力模式最佳，型钢材料与混凝土材料发挥各自作用。在其他范围内梁构件的 受力模式均较差。

表1 构件模拟结果的特征值

图7 上翼缘尺寸变化曲线

通过对型钢混凝土梁构件的实验进行分析，以及对有限元模拟过程的深入研究可知:首先，型钢混凝土梁构件中的型钢上、下翼缘对核心区的混凝土有包裹作用，当构件受力时，其截面核心区的混凝土强度有所提高。其次，型钢混凝土构件的强度在一定程度上取决于型钢和混凝土的共同作用，研究证明:内置与混凝土构件的型钢不仅能起到横向和纵向钢筋的作用，而且能给型钢翼缘内部的混凝土提供一定量的压力约束，使得型钢翼缘内部的部分混凝土在受力时处于一种三轴受压状态。而另一方面，翼缘内的混凝土给予型钢有效的支撑，翼缘外的混凝土也对型钢有一定的约束作用，大幅提高了型钢构件的强度和稳定性。然而，型钢混凝土构件在受力时，型钢和混凝土界面存在粘结滑移，并且在粘结滑移发生时，构件承载力明显降低，当粘结滑移失效时，构件的承载力下降至80%～90%，所以粘结滑移是影响型钢混凝土构件强度的重要因素之一。再次由于型钢翼缘与核心区的混凝土的约束作用，在一定程度上延迟了翼缘内侧和腹板两侧的型钢和混凝土界面的粘结滑移。总之，型钢和混凝土之间的相互作用是型钢混凝土构件高承载力和抗震性能的保证[4］。

3 结语

1)型钢混凝土梁内置型钢的上下翼缘之比为0.7～0.8范围时，对核心区混凝土有高效约束，同时核心区的混凝土对翼缘有有效的支撑，在此范围内型钢、钢筋和混凝土能充分发挥其力学性能，即达到最佳经济模式;

2)型钢混凝土梁内置型钢上下翼缘之比低于0.7时由于型钢不能对核心区的混凝土形成有效包裹，不能形成高效约束，不利于抵抗粘结滑移的发生;

3)型钢混凝土梁内置型钢上下翼缘之比高于0.8时，再拓宽内置型钢的上翼缘宽度是不经济的。

[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，郑山锁，查春光，等.型钢混凝土矩形截面梁优化设计[J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39(S2):184-187.