砼叠合连续梁特殊截面处正截面受力性能分析

2014-12-16高荣誉

安徽建筑大学学报 2014年1期

高荣誉，李平

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601）

0 引言

混凝土叠合结构由于具有减少施工周期，节省建筑用材，整体性能好，抗震性能优越，综合经济效益显著等优点正逐渐代替整浇式钢筋混凝土结构和装配式混凝土结构而成为最有发展潜力的新型结构。国外学者在20世纪20年代开始对混凝土叠合梁进行了全方面的研究，但主要集中在一阶段受力时简支叠合梁结构的受力性能分析，到20世纪90年代开始了对叠合结构的系统研究，并在此方面取得了较为显著地研究成果，而且已被国家混凝土规范所采用。

国内外研究者对两阶段受力叠合简支梁的正截面和斜截面受力性能进行了一定数量的实验研究和理论分析，基本上得出了两阶段受力叠合梁的受力特点并发表了一定数量的期刊和论文。但对混凝土叠合连续梁的受力特性，无论是从正截面方面还是从斜截面方面，所介绍的文献和期刊都是比较少的，本文通过利用大型有限元软件ANSYS模拟一根两等跨叠合连续梁和对比梁，来介绍叠合连续梁在两阶段制造和两阶段受力时特殊截面处正截面的受力特性，在前人研究的基础上，知道连续梁在跨中和支座处所受的力具有一定的代表性，如若梁的截面尺寸及配筋合理则连续梁会首先在支座处出现塑性铰，使结构变成静定结构，在继续加载的情况下，会在跨中最大弯矩处出现塑性铰从而使结构变成机动体系，最后导致结构的破坏，所以对跨中截面和支座处截面进行研究是具有现实意义的［1］。

1 特殊截面处受力特点

在实际工程中，相对于叠合简支梁来说，叠合连续梁具有更大范围的实用性和应用性。其截面的受力性能与简支叠合梁的受力性能存在较大的差别。但由于同是叠合结构，所以它们具有受拉钢筋应力超前和受压混凝土应力滞后等共同特性，而与相应的整浇连续梁对比，由于叠合连续梁是两阶段施工和两阶段加载，它又具有支座负弯矩滞后的特性。本文将通过对叠合连续梁的跨中截面和支座截面不同的受力特性进行分析来阐述叠合连续梁的受力特点［2－5］。

1．1 跨中截面受力特点［1］

叠合连续梁由于两阶段制造和两次加载这不同于一般整浇梁的受力特点，所以其受力特点也是不同的。第一次受力F1时，力作用在简支梁上，由于本文是两点集中加载，故在简支梁的跨中，弯矩图平行于梁的轴线，也就是说在简支梁的跨中有纯弯段，剪力为零。而相应的对比梁在承受相同的荷载下，由于对比梁是一次超静定结构，其跨中弯矩相对简支梁而言是较小的，而且它也不是纯弯段，存在一定的剪力，因此可以看出此时叠合连续梁跨中受拉钢筋应力比对比梁要大叠合连续梁受压区混凝土应力比对比梁受压区混凝土应力要小些，即混凝土应力滞后。第二次受力F2时，力作用在连续梁上，此时两跨的连续梁是一次超静定结构，由于受力F1作用的影响，叠合后的连续梁产生了荷载预应力，使叠合梁在二次受力时简支梁的预压区逐渐成为受拉区，由二次荷载引起的拉应力先抵消此部分压应力使得叠合梁的跨中截面受拉钢筋应力增长速度小于相应对比梁，则钢筋的应力超前值得到缓解。

1．2 支座截面受力特点

梁支座处由于受集中力的作用，其剪力是很大的。连续梁更是如此，且两跨的连续梁在中间支座处还承受一定的负弯矩。对于叠合连续梁来说，在第一次受力F1时，力作用在简支梁上，此时支座弯矩为0，而承受相同荷载的对比梁此时中间支座有一定的负弯矩，因此叠合连续梁支座处受拉钢筋应力滞后，受压区混凝土应力滞后。在第二次受力F2时，叠合连续梁支座处存在负弯矩，而且由于受第一阶段力的影响，跨中截面的荷载预应力引起了跨中截面内力重分布，使跨中内力向支座内力进行重分布，这与通常的整浇连续梁支座弯矩大于跨间弯矩的情况是截然不同的。由于内力的重分布，使叠合连续梁支座处的应力增量比相应的对比梁要大，同时支座处负弯矩钢筋的应变增长率大于对比梁。

2 模型建立及分析

ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。广泛应用在土木建筑行业。叠合连续梁具有两阶段施工和两阶段加载的受力特性，ANSYS运用生死单元及重启动技术等相关命令能较好地模拟叠合梁正截面的受力特征。

2．1 基本假定

（1）平截面假定:受荷前后截面变形保持为平面，截面应变沿高度呈直线分布。

（2）叠合前后的接触面粘结完好，不考虑相对滑移。

（3）钢筋与混凝土之间粘结紧密，无滑移。

2．2 模型单元

在ANSYS模拟中，混凝土采用的是SOLID65单元，此单元可以很好的模拟混凝土拉裂与压碎的受力特性。而钢筋的模拟单元采用的是LINK8，它是一种适用于多种工程实际的杆元素，这种杆元素只能承受单轴的拉压，在结果中可以很好地绘制钢筋的主应力和等效应力图。支座垫块采用的是SOLID45单元，此单元主要用于构造三维的实体结构，具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。采用垫块是为了防止支座处和荷载作用处发生应力集中，因此在材料属性设置其要求要比混凝土要高。

2．3 模型尺寸及材料

本文模拟叠合连续梁模型的尺寸为:每跨梁总长3m，净长为2．8m，共两跨，梁宽200mm，梁高500mm，叠合前后梁的截面高度比为h1／h＝0．6，即h1＝300mm。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）规定叠合梁的叠合层混凝土强度等级不宜低于C30，故模拟时预制层和叠合层混凝土的强度等级皆取为C30。支座距离混凝土梁边缘200mm，箍筋采用φ10＠200，架立筋为2φ16，纵筋为2Φ18。采用两点加载，即每跨梁上受两个集中荷载。在两侧距支座1000mm处预制部分和叠合部分先后各施加力F1＝50kN、F2＝100kN，其中力F1直接加在预制部分的梁上，F2加在叠合后的梁上的垫块上，避免力过大导致梁上产生应力集中。支座约束按照连续梁的一般约束进行定义。对比梁的尺寸及所用材料与叠合梁完全相同，所用加载方式也是两点加载，在距支座1000mm处施加力F＝150kN。所建模型及配筋如图1、图2、图3所示:

图1 叠合梁配筋图及截面设计

图2 一次加载时模型图

图3 整体模型图

2．4 结果分析

对叠合连续梁进行非线性静定结构分析，可供后处理程序提取结构的位移、应变、应力以及反作用力，显示裂缝的分布情况等。

2．4．1 受拉钢筋应力超前分析［3］

通过ANSYS模拟，现提取叠合梁在第一次受力F1时预制部分跨中受拉钢筋的应力时间图及受相同荷载的对比梁跨中受拉钢筋应力时间图。如图4所示:

图4 跨中受拉钢筋应力时间图

从图4可以看出，叠合梁在第一次受力时预制部分跨中受拉钢筋在时间为2s时应力达到40MPa，而在受相同荷载的对比梁上，跨中受拉钢筋在时间为2s时应力达到12．5MPa，前者大于后者，整体来看，叠合梁在一次受力时跨中受拉钢筋的应力为相应对比梁的3倍左右，因此很容易看出叠合梁跨中受拉钢筋应力超前现象。

2．4．2 受拉钢筋应力滞后分析

叠合梁在二次加载时，中支座处于受负弯矩状态，而在第一次加载时，由于是加载在简支构件上，中支座的弯矩为0，相应的此时钢筋的应力也为0。与相应对比梁比较，施加相同荷载时，对比梁的中支座弯矩要比叠合梁的大，因此叠合梁支座处受拉钢筋应力滞后，这是叠合连续梁所特有的特性。现从ANSYS中提取二次受力时中支座负弯矩处钢筋应力时间图，如图5所示:

图5表明，叠合梁在时间为0－2s时，钢筋应力为0，在2s滞后才有应力，而对比梁在2s时钢筋应力为140MPa左右，叠合梁支座处钢筋最大应力为112．5MPa左右，可以看出叠合连续梁钢筋应力小于对比梁的钢筋应力，反应出叠合连续梁所特有的性质支座负弯矩处钢筋应力滞后现象。

图5 支座负弯矩钢筋应力时间图

2．4．3 受压混凝土应力滞后分析

叠合连续梁第一阶段加载是在预制部分，所以其后浇层混凝土没有产生应力应变，第二次加载是在后浇层上，此时后浇层混凝土产生了应力。由于第一阶段的加载使构件产生了荷载预应力，使后浇层受压区混凝土在跨间产生的应力小于相同荷载对比梁上后浇层受压区混凝土产生的应力，现从ANSYS中提取二次受力时混凝土应力云图，如图6所示:

图6 二次受力时混凝土应力云图

从图6可以看出，后浇层混凝土在跨间的应力等值线图显示的是暗黄色，在叠合连续梁中此颜色的应力值为－0．979382MPa，而在对比梁中此颜色代表的应力值为－1．239MPa，在ANSYS的应力云图中拉为正号显示，压为负号显示，由此可以看出叠合梁后浇层在受压区的混凝土应力小于对比梁相应区域的混凝土应力，从而反映出受压区混凝土应力滞后现象。