基于 Ansys 的钢箱—混凝土组合梁受力性能分析

沈志昊

(胜利油田胜建集团建安工程处，山东东营 257000)

0 引言

钢箱—混凝土组合梁是一种新型钢—混凝土组合梁[1］(见图1)，文献[1］通过试验初步研究了此类梁的抗弯性能，文献[2］～[4］对此类梁的局部稳定性、抗弯性能、抗剪性能等进行了进一步研究。文献[5］报道了这种新型组合梁的初步应用。日本学者Nakamuraa S等[6］对钢箱—混凝土梁也进行了试验研究，结果表明钢箱—混凝土梁的极限抗弯能力比钢箱梁模型大25%以上，延性增大6.5倍以上。

图1 钢箱—混凝土梁示意图

本文利用文献[1］～[4］钢箱—混凝土组合梁试验研究的受力性能，基于Ansys软件中，对钢箱—混凝土组合梁进行了三维空间有限元分析。分析计算结果与文献[3］中试验结果吻合性良好。

1 基于Ansys的钢箱—混凝土试验梁有限元分析模型

1.1 有限元分析模型

钢箱采用三维4节点板壳单元(Shell181)，适于模拟薄壳至中等厚度壳结构;内填混凝土采用三维加筋混凝土实体单元(Solid65)，适于模拟无筋或加筋的混凝土结构，具有受拉开裂和受压破碎性能。钢板与混凝土之间的相互作用采用间隙单元(Link10)模拟，忽略钢板与混凝土之间的粘结作用，单元属参数KEYOPT(3)=1，仅受压选项;计算模型如图2所示。

1.2 钢材和混凝土应力—应变关系

钢材采用的三段折线应力—应变关系:在钢材屈服前采用线性关系，直线斜率为弹性模量Es=2.0×105MPa，屈服阶段水平直线，钢材强化段的起始应变 εt=0.002 8，E′按 Y.Higashibata 建议取 E′=0.01Es(见图3)。

图2 计算模型图

图3 钢材应力—应变关系

1.3 混凝土本构关系和破坏准则

混凝土应力—应变关系采用文献[7］依据矩形钢管混凝土试验提出的以约束效应系数ξ为主要参数的核心混凝土应力—应变关系:

其中，fc′=fck[1.194+(13/fck)0.45(－0.019 61ξ2+0.144 7ξ)］;

此模型较好地反映了充填混凝土受钢箱的约束特点(见图4)。

图4 混凝土应力—应变关系

1.4 求解过程

求解方法采用波前法，整个加载过程50个子步进行加载。

2 有限元分析结果与试验结果

利用有限元计算模型对文献[3］中的钢箱—混凝土试验梁受力全过程分析，以下简要介绍对SCB60的分析结果。

试验梁SCB6几何尺寸见图1，长度为4 000 mm，截面高度500 mm，宽度180 mm，上部充填混凝土箱室高度180 mm，钢箱顶板厚度3 mm，底板厚度6 mm，腹板厚度3 mm，隔板厚度2 mm;钢箱采用Q235热轧钢板焊接而成，充填混凝土为C40。

图5为SCB60在极限荷载下钢箱弯曲正应力分布云图，表明在极限荷载下，钢箱截面绝大部分进入了屈服，甚至强化状态，钢材强度得到充分利用。

图6为SCB60在极限荷载下充填混凝土弯曲正应力分布云图，充填混凝土基本处于受压状态。

图5 SCB60钢筋弯曲正应力云图

图6 SCB60充填混凝土弯曲正应力云图

图7为SCB60跨中实测挠度与有限元模型计算结果的对比图，计算结果与试验结果吻合良好。图8为跨中截面底板应变—荷载曲线，试验值与计算值吻合良好。图9为跨中截面钢箱顶板应变—荷载曲线，在弹性段试验值与计算值吻合良好，在弹塑性段由于顶板受压局部屈曲，两个值有一定误差。

图7 SCB60跨中挠度—荷载试验与计算值比较

图8 SCB60跨中底板应变—荷载试验与计算值比较

图9 SCB60跨中顶板应变—荷载试验与计算值比较

3 结语

本文有限元分析结果表明:

1)钢箱—混凝土组合梁整个受力过程可分为:线弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段;

2)线弹性工作阶段，表现为刚度大，与相同尺寸的钢箱梁相比，刚度提高80%;

3)进入破坏阶段后，承载能力没有明显下降，表现为良好的延性和较高的承载能力。

[1]钟新谷，舒小娟，郑玉国，等.钢箱—混凝土组合梁正截面承载力的初步研究[J］.土木工程学报，2002，35(6):73-79.

[2]钟新谷，舒小娟，沈明燕，等.钢箱—砼组合梁弯曲性能试验研究[J］.建筑结构学报，2006(1):74-79.

[3]莫时旭.钢箱—混凝土组合梁结构行为试验研究与分析[D］.成都:西南交通大学，2007.

[4]钟新谷，舒小娟，沈明燕，等.钢箱—砼组合梁正截面强度设计理论与试验研究[J］.中国工程科学，2008，10(10):47-52.

[5]钟新谷，莫时旭，舒小娟，等.钢箱—混凝土组合结构研究及其应用[D］.长沙:湖南科技大学，2009.

[6]Shun-ichi Nakamuraa，Hiromitsu Morishitab.Bending strength of concrete-filled narrow-width steel box girder[J］.Journal of Constructional Steel Research，2008(64):128-133.

[7]韩林海，陶 忠.方钢管混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究[J］.土木工程学报，2001(2):17-25.