中穿H型钢冠梁截面削弱影响研究

黄志波 林奇 郑春婷

(1.福建农林大学 金山学院 福建福州 350002；2.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350108；3.福建省建专岩土工程有限公司 福建福州 350002)



中穿H型钢冠梁截面削弱影响研究

黄志波1林奇2郑春婷3

(1.福建农林大学 金山学院 福建福州 350002；2.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350108；3.福建省建专岩土工程有限公司 福建福州 350002)

研究由于中穿H型钢导致的截面削弱对混凝土冠梁受力变形的影响，对揭示中穿H型钢混凝土冠梁的受力变形特征及完善其设计理论具有重要意义。采用midas有限元软件分别建立中穿H型钢冠梁和实体混凝土冠梁的有限元模型，对比分析其在受力变形的异同点。研究表明：中穿H型钢混凝土冠梁在荷载作用下，其位移及应力比实体混凝土冠梁的大。中穿H型钢混凝土冠梁与实体混凝土冠梁的应力分布形式有明显的不同。因此在设计时需考虑中穿H型钢对混凝土的削弱作用。

H型钢;截面削弱;冠梁;迈达斯

0 引言

随着社会的发展，中穿H型钢混凝土冠梁广泛运用于基坑支护工程中，并取得良好的运用效果。然而，至今未见用于设计中穿H型钢混凝土冠梁的软件，其设计理论及依据存在空白，致使对中穿H型钢混凝土冠梁的设计只能借鉴实体混凝土梁的相关理论进行设计。

目前，学者对中穿H型钢混凝土冠梁进行研究主要集中在介绍具体工程的支护设计参数及其应用效果[1-6]，未见其设计理论或受力特征方面的研究成果。为此，本文基于宁德逸涛商城的基坑工程项目，分别建立截面削弱与否的混凝土冠梁有限元模型，对比分析由于中穿H型钢导致的截面削弱对混凝土冠梁受力变形的影响，以期有助于完善中穿H型钢混凝土冠梁的设计理论。

1 工程概况及有限元模型的建立

1.1 工程概况

图1 H型钢桩内撑支护体系局部示意图

(a)冠梁剖面图 (b)1-1剖面 (c)2-2剖面图2 冠梁详图

图3 中穿H型钢混凝土冠梁有限元模型

宁德逸涛商城的基坑工程地质情况及周边环境较为复杂，采用H型钢桩+钢管内撑的支护形式，局部示意图如图1所示。根据理正深基坑软件对图1的典型支护剖面的计算，可知H型钢的剪力约为60kN。将H型钢作用在冠梁的荷载近似视为均布荷载，分布长度为H型钢的翼缘宽度，则荷载集度为200kN/m。中穿H型钢冠梁图如图2所示。

1.2 有限元模型的建立

在H型钢桩+钢管内撑支护体系中，冠梁的内力主要是由于H型钢桩的相对变形导致的。如图1所示，由于支撑的存在，使得冠梁两端和中间有钢支撑处H型钢的位移相对其他位置的较小，可将中穿H型钢混凝土冠梁简化为两端固定其余简支的8跨连续梁。

在结构计算中，对于等跨度、荷载和支承条件相同的连续梁除了端部两跨内力外，其他所有中间跨的内力较为接近。再者，本文旨在研究由于中穿H型钢导致的截面削弱对混凝土冠梁受力变形的影响，故将上述8跨连续梁简化为跨度为8700mm、荷载为100kN/m、两端固定其余简支的5跨等跨度连续梁。采用迈达斯有限元软件建立上述5跨等跨度连续梁三维有限元模型，如图3所示(模型单元数为916 929个)。其中，混凝土采用实体单元模拟，钢筋采用植入式桁架模拟。

2 截面削弱对混凝土梁变形和受力影响分析

为了分析中穿H型钢混凝土冠梁中截面削弱对其受力变形的影响，按照1.2的方法建立实体混凝土冠梁的有限元模型(模型单元数为972 666个)。该模型与图3的区别仅在于：该模型是实体的，而图1模型中存在H型钢形状的截面削弱处。其局部对比图如图4所示。

(a)中穿H型钢模型 (b)实体模型图4 中穿H型钢模型与实体模型的局部不同对比图

图5 跨中Z方向位移

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图6 Z方向位移云图

2.1 位移分析

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下各跨跨中Z方向(与竖向荷载方向平行)的位移如图5～图6所示。限于篇幅仅列出两种冠梁中间跨Z方向的位移云图(图中同一颜色表示相同的数值)如图7所示。由图5～图7可知：

①两种冠梁跨中Z方向位移呈现，边跨跨中大，中间各跨跨中小的规律。

②两种冠梁中间各跨跨中位移近似相等，边跨跨中位移比中间的约大3.2%。

③中穿H型钢混凝土冠梁各跨跨中的位移比实体混凝土冠梁对应跨跨中的位移约大51%。

④在同一跨Z方向位移，两种冠梁均呈现中间大，两端小的规律。

⑤中穿H型钢混凝土冠梁中的H型钢空洞出现明显的变形，且越靠近跨中变形越明显。这是由于H型钢空洞截面的存在，使得中穿H型钢混凝土冠梁内部产生明显的相对位移，而在跨中处相对位移几乎为零。而实体混凝土冠梁中的没有明显的相对位移。

2.2 混凝土应力分析

(1)X方向应力

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下中间跨X方向的应力云图(图中同一颜色表示相同的数值)如图7所示。由图7可知：

①中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁的最大拉压应力均在梁顶(底)。由于H型钢形状削弱截面的存在，使得中穿H型钢混凝土冠梁X方向应力分布比实体混凝土冠梁复杂。

②中穿H型钢混凝土冠梁在削弱截面的翼缘处存在应力集中，且越靠近支座应力集中越明显。而实体混凝土冠梁在相应位置应力集中不明显。

③总体上同一截面上，中穿H型钢混凝土冠梁的最大拉压应力均大于实体混凝土。中穿H型钢混凝土冠梁最大拉应力比实体混凝土的大25.7%～29.7%，最大压应力比实体混凝土的大8.1%～40.1%。同时，中穿H型钢混凝土冠梁沿梁高的应力分布呈两端大、中间小的规律，近似为“s”分布。

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图7 X方向应力云图

(2)Z方向应力

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下中间跨Z方向应力如图8所示(图中同一颜色表示相同的数值)，通过对比、分析图8中的(a)和(b)可知：

①中穿H型钢混凝土冠梁由于H型钢形状削弱截面的存在，使其在H型钢削弱截面翼缘端部处出现明显的应力集中，同时使其应力分布规律比实体混凝土更为复杂。

②中穿H型钢混凝土冠梁翼缘端部处的应力集中越靠近支座越明显，而在跨中处不明显。在支座边缘处的下部翼缘端部拉应力达到最大为1.64MPa，而实体混凝土冠梁对应区域的最大拉应力仅为0.15MPa。

③中穿H型钢混凝土冠梁支座处应力集中比实体混凝土冠梁明显。前者最大压应力为1.84MPa，后者为1.69MPa。

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图8 Z方向应力

(3)mises应力

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下mises应力如图9所示(图中同一颜色表示相同的数值)。通过对比、分析图8中的(a)和(b)可知：

①两种冠梁mises应力较大的区域主要集中在支座及其边缘区域，且中穿H型钢混凝土冠梁该区域的数值比实体混凝土大。

②两种冠梁mises应力最大值均在支座处，且中穿H型钢的(3.33MPa)比混凝土(3.12MPa)大。

③中穿H型钢混凝土冠梁mises应力沿总体呈现梁顶和梁底大，梁中小的规律，且在支座及其边缘处，该规律越明显。

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图9 mises应力

2.3 钢筋应力分析

(1)纵筋应力

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下纵筋应力如图10所示(图中同一颜色表示相同的数值)，各排(从梁顶算起)纵向钢筋应力如表1所示。由图10和表1可知：

表1 纵向钢筋最大应力(MPa)

①两种冠梁纵筋应力分布规律相似。梁端部两排的钢筋应力比中间两排大；支座处的钢筋应力比跨中大。

②中穿H型钢混凝土冠梁的纵筋发挥强度比实体混凝土的大。

(2)箍筋应力

中穿H型钢混凝土冠梁和实体混凝土冠梁在荷载作用下Z方向箍筋应力如图11所示(图中同一颜色表示相同的数值)。通过对比、分析图11中的(a)和(b)可知：

①实体混凝土冠梁箍筋应力在支座处均为压应力，最大压应力(2.21MPa)在支座处的下部箍筋处，最大拉应力(1.39MPa)在跨中的上部箍筋和支座边缘处的下部箍筋处。而穿H型钢混凝土冠梁最大箍筋应力在支座边缘处H型钢截面削弱靠近支座侧(顶部压应力为3.06MPa，底部拉应力为3.37MPa)。

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图10 纵筋应力

②实体混凝土冠梁的箍筋应力在支座边缘处下部箍筋轴向应力立即变为拉应力(且接近最大值)，而上部仍然为压应力。该拉应力值沿跨长方向逐渐减小，在约1/4跨长处变为压应力。该压应力沿跨长方向逐渐增加，约在跨中处达到最大值。上部箍筋轴向应力由支座边缘处的压应力沿跨长方向逐渐减小，在约1/4跨长处变为拉应力。该拉应力沿跨长方向逐渐增加，约在跨中处达到最大值。而中穿H型钢混凝土冠梁由于H型钢削弱截面的存在，使得箍筋应力分布规律变得极其复杂。

(a) 中穿H型钢冠梁

(b)实体混凝土冠梁图11 箍筋应力

3 结论

中穿H型钢混凝土冠梁不能简单地参照实体混凝冠梁，采用理正工具箱等软件进行设计计算。通过迈达斯软件建立的模型对比分析可知：

(1)中穿H型钢混凝土冠梁的变形比实体混凝冠梁大，且内部存在相对位移。

(2)中穿H型钢混凝土冠梁钢筋及混凝土的应力总体上均大于实体混凝土冠梁，且其分布形式比实体混凝土更为复杂。

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Study on the influence of section weakening of reinforced concrete crown top beam through H steel

HUANGZhibo1LINQi2ZHENGChunting3

(1.College of Jinshan, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002; 2.College of Civil Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118； 3.Fujian Jianzhuan geotechnical engeering co.ltd, Fuzhou 350002)

Study on the section weaked by through H steel that cause the influence of forced deformation of concrete top beam. It have the important meaning ,which can reveal the stress and deformation characteristics of section weakening top beam and improve the design method and theory .By using Midas finite element software to establish the model of the simply supported top beam through H steels, some problems of the design process were analyzed. The results show that the displacement and stress of the H steel reinforced concrete crown beam are larger than that of the concrete crown beam under load; the stress distribution of the H steel reinforced concrete crown beam and concrete crown beam is obviously different. Therefore, it is necessary to consider the weakening effect of H steel in concrete design.

H Steel; Section weakening; top beam; Midas

福建省中青年教师教育科研项目(JA15641)；福建省大学生创新创业训练计划项目(201614046022)。

黄志波(1988- )，男，讲师。

E-mail:523052465@qq.com

2017-03-08

TU4

A

1004-6135(2017)08-0076-05