基于ABAQUS的梁板叠合构件受剪性能有限元分析

曹大富，魏 欣，张 颖

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

基于ABAQUS的梁板叠合构件受剪性能有限元分析

曹大富*，魏 欣，张 颖

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

钢筋混凝土宽柱双梁框架结构体系是旧房托换改造的一种新理念，由楼面板开孔浇筑托换梁混凝土，形成了新梁旧板叠合结构。基于有限元软件ABAQUS，对梁板叠合构件受剪承载力进行了数值模拟，研究了素混凝土浇筑孔个数对叠合构件整体性能的影响。模拟中采用三维实体建模，并从单元的选取、接触面的相互作用、材料本构的定义、荷载的施加等方面进行了较为系统地阐述。研究表明，有限元软件ABAQUS是分析叠合梁板构件受力性能的一种行之有效的工具；随着孔洞个数的增加，叠合的梁板趋于一整体，协调变形，共同工作，承载力逐渐增大，梁板叠合构件发生剪压破坏。

梁板叠合构件；受剪承载力；素混凝土浇筑孔；ABAQUS

0 引言

随着城市建设的发展，建筑物的使用功能不断发生变化，旧城改造成为我国各地政府普遍关注的热点问题之一。砌体结构托换在房屋改造中应用较为普遍，钢筋混凝土宽柱双梁框架结构体系是改造旧建筑物的一种新理念，尤为适用于小空间改造成大空间的旧建筑物改造中。托换改造流程中需在原墙体两侧增设托换梁，由楼面板开孔浇筑梁混凝土，在改造过程中形成了新梁旧板叠合结构[1]。叠合梁结构是指在钢筋混凝土梁或板上后浇混凝土所形成的一种装配整体式混凝土结构，整体性好，经济效益显著。

叠合梁在工程实践中已应用多年，国外20世纪20年代开始应用。美国ACI333委员会[2]于上世纪60年代提出了“建筑用组合梁设计暂行建议”，美国ACI318规范和前苏联规范对组合结构的计算和构造也做出了专门规定。1964年，清华大学过镇海教授[3]通过叠合梁和现浇梁的对比试验，对普通钢筋混凝土叠合梁的二次受力问题进行了研究，并指出叠合梁在二次受力情况下存在“应力超前”现象，必须加以限制。康谷贻等[4]在试验的基础上，提出了集中荷载作用下钢筋混凝土I形和T形梁斜压破坏抗剪强度计算图式及计算公式，并就预应力、截面形状、配箍率对强度的影响进行了讨论和分析。

叠合梁叠合面的受剪性能及保证措施是保证叠合前后浇筑的两部分混凝土共同工作的关键，尤其对传剪器的设计研究，一直是热门课题。由叠合面处的应力状态及抗剪强度的理论分析和实验研究表明[5-6]，通过对叠合面采取适当的构造措施，可以保证叠合梁的共同工作。叠合面抗剪强度的影响因素有叠合面形式、叠合面的箍筋抗拉强度和配筋率、混凝土强度、叠合面应力状态、界面剂以及荷载性质等[7-8]。Viest[9]、Thubrlimann等[10]采用推出试验方法提出了确定剪切连接件临界承载力的经验公式。Oguejiofor等[11]研究了传剪器的参数，包括孔洞数量、间距、横向钢筋、混凝土强度等，提出了PBL(Problem-Based Learning)传剪器抗剪能力表达式。聂建国等[12]通过钢高强混凝土组合梁试验和推出试验得到了高强混凝土中连接件承载能力的修正公式。

尽管国内外学者对叠合梁斜截面的受力性能、叠合面处的应力状态以及剪力连接件的影响参数和抗剪承载力进行了大量的试验研究和理论分析，但是基于工程实际提出的新梁旧板叠合问题，尚未发现相似文献。本文以实际改造过程中形成的新梁旧板叠合构件为工程背景，基于ABAQUS有限元软件对梁板叠合构件受剪承载力进行模拟。在模拟过程中，探讨了模型构建、单元选取及本构的定义，研究了素混凝土浇筑孔个数对构件整体性能的影响。

1 梁板叠合构件设计

该改造工程采用的新梁旧板叠合构件长为2000mm，其中梁的截面宽度为100mm，高度为250mm；混凝土梁底部配置了2根C形Φ16的抗弯钢筋，架立筋采用2根C形Φ10，C形箍筋配置为Φ6@150；板的截面宽度为600mm，厚度为60mm，板内配置C形Φ6@100的双层双向筋；钢筋保护层厚度均为10mm；混凝土强度选用C30，钢筋选用HRB400，混凝土和钢筋的材料参数按规范选取[13]。梁板叠合构件如图1所示。

图1 梁板叠合构件设计图

建立了一个梁板整浇构件模型以作对比使用，叠合构件和整浇构件截面配筋形式分别如图2和图3所示。梁板主要通过素混凝土浇筑孔连接，孔洞个数分别布置为3、5和7个，最外侧孔洞圆心距离边缘均为200mm，其余孔洞等距离布置，图4给出了素混凝土浇筑孔为5的梁板叠合构件，其余梁板叠合构件形式类似。工程梁板叠合构件支座条件属于简支，采用四分点二集中荷载加载法，试件受力简图如图5所示。

图2 梁板叠合构件截面配筋图

图3 梁板整浇构件截面配筋图

图4 素混凝土浇筑孔个数为5的叠合构件孔洞布置示意图

图5 试件受力简图

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型及接触面

本文有限元模型采用分离式模型，即将钢筋和混凝土各自分离成不同的单元，再根据各自不同的力学性能，采用各自的单元类型。二次缩减积分单元C3D20R能够克服线性单元存在的自锁现象及线性缩减积分单元的沙漏问题，而且网格密度对计算结果精度的影响相对较小，故决定采用该单元来模拟混凝土[14]。纵向钢筋单元选用空间单元中的两节点线性三维桁架单元T3D2。

模型将钢筋镶嵌到混凝土中，采用嵌入区域约束(embedded region)；模拟过程中为避免支座处以及加载点应力集中，在上述位置均设置刚度很大的弹性垫板条，假定垫板条与混凝土接触界面上几何位置相同的各点具有相同的位移和变形，采用绑定约束(tie)；素混凝土浇筑孔与板孔洞的界面采用面面接触(face to face)来实现。

2.2 材料本构关系

本文混凝土本构模型采用混凝土损伤塑性模型[15]，该模型具有较好的收敛性，适用于混凝土或者其它相类似的脆性材料的模拟。混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)附录C.2[13]规定的混凝土单轴拉压应力-应变关系。混凝土单轴受压和受拉时的应力-应变关系表达式分别为式(1)和(2)。

(1)

式中：fc指混凝土的单轴抗压强度(N/mm2)；εc指与fc相应的混凝土峰值压应变；αa和αd分别指单轴受压应力-应变曲线上升段和下降段的参数值。

(2)

式中：ft指混凝土的单轴抗拉强度(N/mm2)；εt指与ft相应的混凝土峰值拉应变；αt指单轴受拉下降段参数值。

在低围压作用下，混凝土的剪胀角ψ取36°，流动势偏量值ζ取0.1，初始的双轴受压与单轴受压屈服强度比值σb0/σc0取1.16，拉子午线上与压子午线上的第二应力不变量比值Kc取0.6667，粘性系数μ取0.0005[16]。

钢筋采用理想弹塑性模型，钢筋的应力-应变关系表达式为：

(3)

式中：fy和fy'分别指钢筋抗拉屈服强度和抗压屈服强度(N/mm2)；Es指钢筋的弹性模量；εy和ε'y分别指钢筋抗拉屈服应变和抗压屈服应变。

2.3 几何模型的建立

图6仅给出了素混凝土浇筑孔为5的叠合构件所建立混凝土和钢筋的有限元模型及网格划分。

a)梁混凝土 b)梁钢筋

c)板混凝土 d)板钢筋

2.4 边界条件及荷载的施加

模型中对梁底施加铰接约束，集中力施加在弹性垫板条的中线位置，图7给出了素混凝土浇筑孔为5的叠合构件荷载及约束的施加。

图7 荷载及约束的施加

3 有限元结果分析

图8给出了各构件混凝土和钢筋的Mises云图，可以看出，孔洞个数为3的叠合构件梁板在梁端掀起，整体性较差，且在剪跨范围内并未发生剪压破坏，而是在支座与两端孔洞的连线发生破坏；随孔洞个数的增加，叠合的梁板趋于一整体，且剪跨范围内的应力较大，由均匀分布趋于往叠合板延伸，构件发生剪压破坏。

图9给出了各构件混凝土和钢筋的位移云图，可以看出，孔洞个数为3的叠合构件梁板叠合效果较差，位移主要发生在加载点处的板上，梁板在梁端脱离；随孔洞个数的增加，梁板逐渐协调变形，共同工作，位移分布趋于均匀。表1给出了各构件的受剪承载力，从图9中可以看出，孔洞个数为3的叠合构件共同工作效果较差，承载力较低；孔洞个数为5和7的叠合构件的承载力随着孔洞个数的增加而增大，但均小于整体构件的承载力。

表1 构件受剪承载力

图8 混凝土和钢筋的Mises云图

图9 混凝土和钢筋的位移云图

4 结论

对梁板叠合构件建立三维有限元模型，并考虑材料的非线性，开展了非线性数值模拟，得到如下结论：

有限元软件ABAQUS可以较好地分析叠合梁板构件的受力性能，是研究结构力学性能一种行之有效的工具，可为试验提供依据；

随着孔洞个数的增加，叠合的梁板趋于一整体，协调变形，共同工作，叠合构件发生剪压破坏。素混凝土浇筑孔个数对叠合构件受剪承载力影响较大，承载力的大小随着孔洞个数的增加而增大。本工程研究表明，浇筑孔洞个数为3的梁板叠合构件整体性较差，应力和位移分布不均匀；

叠合构件的整体工作效果至关重要，实际工程中可采取设计合理的传剪器、叠合面处增设构造筋等适当的构造措施，保证叠合前后浇筑的两部分混凝土共同工作。

[1] 王松荣.双梁夹墙组合构件抗剪性能试验研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2013.

[2]ACI-ASCECommittee333.TentativeRecommendationsfortheDesignofCompositeBeamsandGirderforBuildings[J].ACIJournal, 1960, 57(6): 609-628.

[3] 过镇海.钢筋混凝土叠合梁受力性能和设计方法的试验研究[D].北京: 清华大学, 1965.

[4] 康谷贻,吴智眉.集中荷载作用下钢筋混凝土梁斜压破坏抗剪强度[J].建筑结构, 1984(6): 12-15.

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[10]B.Thubrlimnn.FatigueandStaticStrengthofStudShearConnectors[J].JournalofACI,1959, 30(12):1287-1302.

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[12] 聂建国,谭英,王洪全.钢-高强混凝土组合梁栓钉剪力连接件的设计计算[J].清华大学学报, 1999,39 (12): 94-97.

[13] 中华人民共和国建设部.GB50010-2010. 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[14] 庄茁.ABAQUS有限元软件6.4版入门指南[M].北京: 清华大学出版社,2004.

[15]P.Grassl,M.Jirasek.Damage-plasticModelforConcreteFailure[J].InternationalJournalofSolidsandStructures, 2006(43):7166-7196.

[16] 雷拓,钱江,刘成清.混凝土损伤塑性模型应用研究[J].结构工程师,2008,24 (2):22-27.

(责任编辑：蒋 华)

Finite Element Analysis for Shear Behavior of Beam-Slab Composite Component Based on ABAQUS

CAO Da-fu*, WEI Xin, ZHANG Ying

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225127, China)

Reinforced concrete frame structure system composed of wide column and double beams is a new concept in the old masonry underpinning retrofitting. The concrete of the underpinning beam is placed through some open-holes of the floor plate, then the new-beam and old-slab composite structure are cast and composited. In this paper, the finite element software ABAQUS was employed to simulate the shear behavior of this beam-slab composite component, and the number of the place holes made from plain concrete effecting on the whole structure behavior of the composite beam and slab component was studied. 3D finite element model was established in this simulation, and a series of numerical simulation technologies were described including the selection of element types, the interaction between interfaces, the material constitutive models, the loading, and many other aspects. The results showed that the finite element software ABAQUS was a kind of effective tool to study stress performance of this beam-slab composite component; composite beam and slab laminate to a whole, the deformation coordinates, the capacity increases and the beam-slab composite component ends with shear compression failure with the number of holes increases.

beam-slab composite component; shear bearing capacity; plain concrete place hole; ABAQUS

2015-03-25

国家自然科学基金项目(51278445)；江苏省高校自然科学研究项目(11KJB560006)

曹大富(1964-)，男，江苏泰州人，副教授，硕士生导师，主要从事混凝土和预应力混凝土结构的设计理论和

TU

A

1009-7961(2015)03-0043-06

应用研究；*为通讯作者。