简支钢—混凝土组合箱梁有限元分析★

于 广 龙

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·结构·抗震·

简支钢—混凝土组合箱梁有限元分析★

于 广 龙

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究简支钢—混凝土组合梁在荷载作用下的受力性能，采用有限元软件ANSYS对某钢—混凝土组合箱梁进行数值模拟，对此类组合梁进行研究和分析,研究表明：在弹性范围内，钢混组合梁荷载与挠度基本上呈线性关系；采用ANSYS软件可以准确的模拟组合梁的受力过程。

钢—混凝土组合梁,受力性能,有限元,ANSYS

1 概述

近年来，钢—混凝土组合结构以其良好的工作性能在高层建筑和大跨桥梁等多个领域内得到推广[1,2]。随着钢—混组合结构的广泛应用，研究理论得到了快速地发展。聂建国等[3]通过简历微分方程，考虑了钢混组合梁的滑移，提出了折减刚度法，并计算钢混组合梁的抗弯刚度与截面刚度，且与试验数据吻合良好；霍军会等[4]通过ANSYS软件对钢混双面组合连续梁进行非线性有限元分析，分析了此类梁的极限承载力和截面应力等内容。此外国内外还对组合梁的滑移、剪力连接件、开裂、极限承载力等内容进行了大量的研究[5,6]。本文主要针对简支钢—混凝土组合箱梁进行有限元模拟，并进行挠度和应力应变的分析。

2 有限元建模

2.1计算假定

采用有限单元法分析钢混组合梁时，为便于计算作出如下假定：混凝土和钢板的材料均为理想弹塑性，忽略混凝土的收缩徐变和材料非线性；板的承托面积忽略不计；钢板与混凝土板通过剪力连接件连接良好，二者之间无滑移。

2.2算例简介

某等截面钢—混组合简支箱梁，上部混凝土翼板为C30混凝土，并配有构造钢筋，下部采用4 mm厚Q235钢板。钢梁与混凝土板之间采用栓钉连接，栓钉直径8 mm，长10 mm，栓钉沿两肋板分别分两列均匀布设，纵向间距100 mm。C30混凝土弹性模量Ec=3×104MPa，剪切模量G=0.81×105MPa。抗压强度设计值fc=14.3 MPa，泊松比为0.2。Q235钢的弹性模量Es=2.1×105MPa，抗拉强度设计值f=215 MPa，泊松比为0.3。梁总长3 000 mm，计算跨径2 900 mm，梁高160 mm，采用三分点加载方式。其他尺寸见图1。

2.3单元类型的选取

钢板选用Solid45单元模拟，Solid45单元是比较常用的八节点六面体实体单元，并且可退化成四面体或棱柱体，用于构建三维实体结构，材料参数为各项同性，该单元每个节点具有x,y,z三个方向的自由度。单元包括大应变、大变形、应力强化、蠕变、塑性、膨胀等特殊性能。

混凝土板也选取Solid45单元模拟，ANSYS软件中具有专门描述混凝土压碎和开裂的Solid65单元，与Solid45单元较为相似，可以分析处理混凝土材料的非线性特征。但是本文分析的钢混组合梁的材料均假设为理想弹性体，不分析混凝土的开裂和压碎等非线性问题，因此本文选取Solid45单元来模拟混凝土板。

2.4建立有限元模型

支座处和加载位置建立垫块。按照设计图纸和实际加载位置建立简支钢混组合箱梁模型，见图2。钢板选用理想的弹塑性本构模型，忽略下降段，其应力—应变关系如图3所示。

3 计算结果分析

3.1组合梁的挠度分析

如图4所示为组合梁在荷载作用下的位移云图，由图4可知组合梁的竖向挠度关于跨中位置对称，由支点位置向跨中逐渐增大。图5为组合梁跨中位置的荷载—挠度曲线。由图5可知，梁受力情况与均质弹性体相似，跨中挠度随着荷载的增加而线性增加；有限元分析值与试验值吻合良好，证明了ANSYS模型的准确性。

3.2组合梁的应力应变分析

组合梁跨中截面应变曲线如图6所示，由图6可知，加载过程中截面基本满足平截面假定，受压区高度基本保持不变。图7为加载8 kN时的钢箱梁应力云图。

4 结语

通过对3 m简支钢—混凝土组合箱梁进行有限元分析，得到以下结论：1)本文建立的ANSYS有限元模型能够较好的模拟简支钢—混凝土组合箱梁在弹性阶段的加载过程，为今后对同类组合梁的荷载试验和受力性能研究提供了参考价值。2)钢—混凝土组合梁在弹性阶段内，位移和应变均随着荷载的增加而线性增加，且组合梁在该阶段内符合平截面假定。

[1] 邓青儿,于 洋,汤岳飞.大跨径钢—混凝土组合梁在老桥改建中的应用[J].桥梁建设,2016,46(1):59-64.

[2] 李 天,樊 嘉,管振华.钢—混凝土组合结构在楼层加层中的应用研究[A].全国工程结构安全检测鉴定与加固修复研讨会[C].2015.

[3] 聂建国,余志武.考虑滑移效应的钢—混凝土组合梁变形计算的折减刚度法[J].土木工程学报,1995(6):11-17.

[4] 霍军会,段树金,周庆东.基于ANSYS的钢—混双面组合连续梁非线性有限元分析[J].公路交通科技(应用技术版),2008(4):103-106.

[5] 聂建国,王洪全.钢—混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究[J].建筑结构学报,1997,18(2):13-19.

[6] 余志武,蒋丽忠,李 佳.集中荷载作用下钢—混凝土组合梁界面滑移及变形[J].土木工程学报,2003,36(8):1-6.

Finiteelementanalysisofsimplysupportedsteel-concretecompositeboxgirder★

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the mechanical behavior of simply supported steel-concrete composite beams under load, the finite element software ANSYS was used to simulate the steel-concrete composite box girder. Research and analysis of such composite beams. The results show that the load and deflection of the steel-concrete composite beams are basically linear in the elastic range. ANSYS software can accurately simulate the process of the composite beams.

steel-concrete composite beams, mechanical behavior, finite element, ANSYS

1009-6825(2017)28-0039-02

2017-07-24★：中央高校基本科研业务费专项资金项目(项目编号：2572015BB20)

于广龙(1989- )，男，工程师

U448.38

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