基于ABAQUS钢管混凝土-钢箱组合梁的弹塑性研究
2018-11-28邓家宝朱旭峰
钟 晨,邓家宝,朱旭峰
(1.安徽新华学院,安徽 合肥 230088;2. 中国能源建设集团,安徽 合肥 230088)
为解决传统混凝土-钢梁组合梁中由剪力引起的附加变形,混凝土翼板受负弯矩易开裂,钢梁易整体或局部失稳,本文设计改良出钢管混凝土—钢箱组合梁,即用钢管混凝土取代混凝土板,薄壁箱梁来代替工字形钢梁(图1)。整体受力时主拉应力则有钢箱梁承担;钢管混凝土承压时混凝土就从单向受压转换为三向受压状态,而小内径的钢管对核心砼的约束作用就更为明显。在梁的下翼缘可以内置预应力筋提高梁承受负弯矩时的承载力,延缓混凝土的开裂。文中基于力学理论对新截面组合梁进行静力分析,并用有限元软件数值模拟研究梁的弹塑性工作性能。
图1 组合梁极限状态应力、应变分布
1 极限弯矩计算
假设组合梁其符合平截面假定,由截面应力平衡方程 ∑FY=0,有
nfscAsc+fyBtu+2fyts(h3-d/2-h1)+fytsh1-fytsh2-2fyts(h4-h2)-fyBtb-fpAp=0
(1)
(2)
式中:n为钢管混凝土根数,fsc为钢管混凝土极限应力, Asc为每根钢管混凝土横截面面积,Ap为预应力筋横截面面积;尺寸参数可见图1标注。按弹性分析,h1和h2可取中性轴两侧1/6高度,即
h1=(h3-d/2)/6
(3)
h2=h4/6
(4)
且h3-d/2+h4=H
(5)
把(3)(4)(5)式代入(1)式,得到
h3=(fytsd/2+fytsH/2+3fyBtb/11+3fpAp/11-3nfscAsc/11-3fyBtu/11)/(fyts)
(6)
将(6)式代入(2)式,求得梁抗弯承载力Mu。
2 有限元算例分析
2.1 材料本构关系
钢箱的弹塑性本构关系模型如下,
(7)
钢管采用文献[6]中的四阶段模型;核心混凝土的本构关系按照韩林海在文献[7]中提出了考虑约束效应系数影响的应力—应变关系。
2.2 截面单元划分
假定钢管和混凝土在连接处做理想化粘结处理,即没有相对滑移。将梁全截面划分成有限条带,条带宽度较小,认为每个条带上的应变相同。如图2所示。
图2 有限元截面单元划分
计算模型选用C40混凝土(设计强度fc=19.1MPa)和Q345钢(屈服强度fy=345MPa);净跨径为2.3m,钢管外径d=40mm、壁厚t=2mm。钢箱H=160mm, B=90mm,腹板厚度ts=5mm,上缘翼板tu=3mm,下缘翼板tb=7mm。跨中集中力加载。
因为d/H比值较小,可近似将钢管混凝土作为轴心受压构件,其承载力为:
Ncu=fscAsc=fcAc(1+2ξ)=188.651kN
(8)
(9)
由(6)式可知h3=60mm>1.25r=25mm,满足将钢管混凝土视为轴压构件计算的条件,再求得h1=6.67mm,h2=20mm,h4=120mm,代入(2)式可最终求出Mu=80.9kN·m。
2.3 有限元计算结果
组合梁模型有限元结果如图3所示,破坏最先出现在顶部钢板的跨中直接承受荷载位置,且顶板钢管里的混凝土先于中间隔板内的混凝土破坏。分析数据可知:钢管的极限应力能达到541MPa,钢管内混凝土极限应力只有79MPa,钢梁的极限应力则为426MPa,相对应的中隔板的最大应力为104MPa,隔板内混凝土应力很小仅为9MPa;若按2017年的钢结构设计规范,梁挠度控制在1/400,即到5.75mm终止,外荷载为134.57KN,由此组合梁的极限弯矩为77.38kN·m,与理论计算值二者相差4.35%<5%。同时可以绘制出荷载-挠度P-f计算曲线(图4),说明钢管混凝土-钢箱组合梁有着良好的延性。
图3 组合梁的应力图
图4 组合梁的P-f曲线
综上所述, 钢管混凝土-钢箱组合梁将小直径钢管混凝土紧密连接,固结薄壁箱梁上翼缘,不仅提高了梁的极限承载力, 还改善了其塑性,且混凝土和钢材的用量都相应减少(本文模型减少80%),除了桥梁结构也可推广于荷载较大的平台和楼层结构中去。
由于新型组合梁截面形式尚处初始研究阶段,梁的抗剪、抗扭特性、局部稳定、连续梁结构性能等问题,还需通过弹塑性理论结合试验模拟、空间有限元分析方法进行深入的探讨。