简支H型钢加固混凝土组合梁二次受力下极限承载力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科学研究院有限公司)

简支H型钢加固混凝土组合梁二次受力下极限承载力有限元分析

王 蒙

(天津市建筑科学研究院有限公司)

在已有简支H型钢加固混凝土组合梁模型实验[1]基础上，利用有限元软件ANSYS建立二次受力下跨中两点对称加载简支H型钢加固混凝土组合梁有限元模型，分析二次受力对型钢加固混凝土组合极限承载力的影响。

组合梁、二次受力、有限元分析

一、研究背景

实际加固工程中，加固梁已承受一定初始荷载，加固过程中通常难以完全卸载。对于不完全卸载加固，加固前原结构已经承受一定初始荷载（即第一次受力），加固后新增构件并不立即分担荷载，而是在新增荷载下（即第二次加载下情况下）才开始受力，这种情况称为“二次受力”。在已有简支H型钢加固混凝土组合梁模型实验[1]基础上，利用有限元软件ANSYS建立二次受力下跨中两点对称加载简支H型钢加固混凝土组合梁有限元模型，分析二次受力对型钢加固混凝土组合极限承载力的影响。

二、受力分析方法选取

利用有限元软件ANSYS的“单元生死”技术模拟二次受力问题。具体实现过程如下：

1.建立模型，包括原梁混凝土、钢筋单元和后加钢梁、锚栓、结构胶单元模型。混凝土单元采用有限元单元SOLID 65模拟。钢筋单元采用Link8单元类型模拟。H型钢梁单元采用SOLID45单元模拟。高强锚栓采用COMBIN39弹簧单元模拟。结构胶采用COMBIN14弹簧单元模拟[2]。

2．“杀死(ekill ) "后加钢梁、锚栓、结构胶单元模型；仅保留原梁混凝土、钢筋单元模型。

3.计算原梁混凝土、钢筋单元单独受力模型。

4.将原梁模型分析结果写入特征文件

5. “激活（ealive )” 后加钢梁、锚栓、结构胶单元模型。

6.调入特征文件作用于模型，“重启动”计算

7.进行共同作用阶段分析

三、有限元建模

有限元分析，混凝土等各种材料的基本参数的数据设置同试验所用材料材性相同，便于结果对比研究。主要材料的参数如下：

1.混凝土

混凝土需要输入的材料参数为弹性模量EC、泊松比μ、抗压强度fC、抗拉强度ft，裂缝间剪力传递系数β，混凝土输入参数见表1。

2．钢材

钢材需要输入的材料参数为弹性模量Es、强化模量E’s、泊松比μ和屈服强度fy，见表2。

3．建立分析模型

钢筋混凝土和H型钢梁分别采用SOLID65和SOLID45实体单元分别建立独立的模型，划分网格时须保持混凝土下表面网格和型钢上表面网格划分一致，以使两者组合为整体模型时能形成界面公共节点，便于设置界面剪力连接件的单元。

界面的COMBIN39和COMBIN14弹簧单元均设置在梁跨长向，即界面的纵向，而竖向和横向节点位移耦合；在两点对称集中力处取左右单元加载区设置弹性垫板，垫板底面与混凝土顶面公共节点耦合，协调自由度。

为得到与试验对应的结果，并进一步进行分析，本文建立Z1、Z2、Z3、Z3A四组有限元模型梁，如表3所示。

四、有限元模型极限承载力对比分析

整理ANSYS有限元分析结果，提取Z1、Z2、Z3、Z3A系列有限元模型数据，并结合试件ZL1～ZL3试验数据，得极限承载力对比如表4至7所示。

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分析上述各图表对比结果，可得以下结论：

1.一次受力下Z1至Z3系列加固梁有限元分析得到的极限承载力与实验值相差在10%以内，二者吻合较好。

2.二次受力下Z1至Z3系列加固梁的极限承载力随着初始荷载的增大呈降低趋势，推其主要原因为：初始荷载增大使梁的初始裂缝增多，导致了原梁损伤的增大从而导致了加固梁极限承载力降低。

3.按完全抗剪连接设计的Z1、 Z2、Z3系列加固梁随初始荷载增加，极限荷载减小率在10%以内，极限荷载受初始荷载影响不大；相比之下按部分抗剪连接设计的Z3A系列加固梁的极限荷载减小率最大能达到13.04%。由此推知，二次受力下剪力连接程度的降低，将导致组合梁的极限承载力下降较大。

[1]李砚波，方超，刘洪立．钢-混凝土组合结构在加固改造工程中的应用．建筑结构，2007，(01):71～74

[2]李权，ANSYS在土木工程中的应用。北京：人民邮电出版社，2005

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1007-6344（2015）10-0049-02