基于ANSYS的钢—混凝土组合桥面板非线性行为分析

王潇碧　宋瑞年

摘要：文章采用ANSYS软件建立钢-混凝土组合桥面板的三维有限元模型，对材料及连接界面的本构关系、破坏准则、网格划分等关键影响因素进行了分析；基于对栓钉和开孔钢板作用机理的研究，探讨了采用非线性弹簧单元和接触单元两种不同形式模拟界面力学性能的方法；通过有限元模型与实际模型的试验结果的比较，验证了分析方法的正确性，可用于研究钢-混凝土组合桥面板的粘结滑移、竖向掀起和极限承载力等力学性能。

关键词：ANSYS软件；钢-混凝土组合桥面板；有限元方法；非线性分析；滑移；掀起 文献标识码：A

中图分类号：U441 文章编号：1009-2374（2015）05-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0384

钢-混凝土组合桥面板是由钢底板和上层混凝土板通过栓钉或开孔钢板等形式的剪力连接件结合而成的新型桥面板，不仅具有较高的承载能力，而且自重较小、经济性好，适用于现代大跨度桥梁的设计。由于材料非线性、界面非线性和几何非线性等因素的共同影响，对这种新型组合桥面板力学性能的研究仍存在诸多问题。模型试验是目前最常用的研究方法，但会耗费大量的时间、人力及物力，而且试验过程中的不确定因素会影响部分试验数据的可靠性，为处理数据和总结规律带来困难。有限元方法是一种实用有效的研究方法，且与实际试验结果吻合较好，但很少考虑掀起效应的影响。

基于以上讨论，本文采用有限元软件ANSYS对某钢-混凝土组合桥面板模型试验进行全过程分析，考虑了滑移和掀起效应，探讨了适用于栓钉和开孔钢板的有限元模拟方法。本文可为钢-混凝土组合桥面数值分析提供参考，为组合结构的机理研究和参数分析提供帮助。

1 组合桥面板构件参数

组合桥面板构件的主要截面尺寸见图1和图2。钢板及PBL剪力键使用Q235-C钢材，普通钢筋使用HRB400，混凝土桥面板采用C40钢纤维混凝土，钢纤维掺入量为100kg/m3。

图1 试件典型截面示意图

图2 试件立面示意

1.1 材料及单元

由于钢材的材质均匀，其单轴拉伸试验结果具有良好的稳定性，且试验过程中未涉及卸载和再加载的过程，钢材本构关系可以采用较简单的双折线模型进行模拟，如图3A所示。混凝土本构关系参考《混凝土结构设计规范》（GBJ50010-2002），不考虑下降段影响，采用MISO模型模拟，如图3B所示：

图3 材料本构关系

工字型钢梁采用SHELL63单元分别模拟上下翼缘板及腹板，混凝土板采用SOLID65六面体单元模拟，并考虑混凝土开裂的影响。

1.2 组合界面模拟

组合结构连接界面的约束方式主要有材料间的初始粘聚力、摩擦力及剪力键的机械连接三种。因此，本文将接触单元CONTA173、TARGE170布置于整个连接界面，通过实常数COHE和μ分别模拟初始粘聚力和摩擦力，同时在剪力键处添加非线性弹簧单元COMBIN39，模拟剪力键的作用。用该方法模拟组合界面，可以考虑界面间的滑移和掀起对组合桥面板力学性能的影响。

1.3 边界条件及建模过程

为消除边界约束及加载条件对试验结果的影响，模型工字钢梁向两侧分别延伸了1.11m，并在端部采用固接约束。建立钢垫块作为加载块，逐级加载至模型破坏。本文先建立几何模型，然后划分网格形成有限元模型。通过调整，模型的主要网格尺寸定为100mm，单元划分结果如图4所示：

图4 ANSYS模型 图5 荷载-挠度曲线

2 计算结果分析

2.1 挠度结果

最大变形位于加载块下方的组合桥面板处，图5所示为挠度测试结果，试验数据通过百分表测量。

试验表明，钢混组合桥面板具有很好的延性，有限元模拟结果与测量结果较接近，极限挠度误差为8%，极限承载力误差仅为1%。

2.2 界面滑移

图6所示为跨中靠近加载块一侧混凝土板和钢板之间的荷载-滑移曲线，当荷载达到250～300kN之间时，钢与混凝土界面之间开始出现滑移。有限元结果偏于保守，滑移出现较早，在150kN附近。实际测试结果在荷载水平较低时滑移不明显，是因为该处剪力键的物理阻挡作用，有限元模型的界面关系只是模拟剪力键的作用，并未建立真实物理模型，因此二者出现偏差，但随着荷载的增加，两者结果渐渐统一。

图6 跨中荷载-滑移曲线

2.3 界面掀起

掀起测试的位置为工字钢梁上翼缘板处，X2靠近跨中，X4靠近梁端。典型掀起测试结果见图7所示，随着加载荷载的增大，掀起测试结果曲线非线性表现明显，且不同位置的掀起表现出不均匀性的特征。有限元结果与实测结果趋势相同，但曲线不平滑，数值分析模型在对界面掀起分析方面还有待改进。

图7 荷载-掀起曲线

3 结语

采用本文方法对组合桥面板受力性能进行研究，并与测试数据对比，得出结论如下：（1）通过关键参数的合理取值，采用有限元方法的分析结果与试验结果吻合较好，能够用于组合桥面板力学性能研究；（2）采用接触单元和弹簧单元模拟组合结构界面行为是一种可行的分析方法，但有限元分析的界面掀起曲线平滑程度较差，有待改进；（3）组合结构界面行为复杂，有限元分析结果受弹簧单元和接触单元的参数影响较大，如何确定合理的参数有待进一步研究。

参考文献

[1] 刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 任剑.钢-混凝土组合结构疲劳性能试验研究[D].西南交通大学，2006.

[3] 徐宙元，赵人达，占玉林.基于ABAQUS的钢板-混凝土组合桥面板非线性分析[J].科学技术与工程，2012，12（28）.

[4] 占玉林，赵人达，毛学明.钢-混凝土组合桥面板荷载试验的数值模拟[A].第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C].2008.

[5] 薛建阳，等.型钢混凝土柱粘结滑移性能及ANSYS数值模拟方法研究[J].建筑钢结构进展，2006，（5）.

[6] 杨勇，薛建阳，赵鸿铁.考虑粘结滑移的型钢混凝土结构ANSYS模拟方法研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006，（3）.

[7] 杨勇，等.型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究[J].工程力学，2006，23（4）.

[8] 聂建国，王宇航.基于ABAQUS的钢-混凝土组合结构纤维梁模型的开发及应用[J].工程力学，2012，（1）.

作者简介：王潇碧（1988-），女，内蒙古人，四川大学锦城学院助教，研究方向：钢-混凝土组合结构、桥梁损伤识别；宋瑞年（1987-），男，山东人，西南交通大学土木工程学院在读博士，研究方向：钢-混凝土组合结构。

（责任编辑：陈 倩）