不同型钢翼缘宽度和型钢位置对SRC组合板承载力影响有限元分析

2021-10-11史红伟王晓磊

邯郸职业技术学院学报 2021年2期

史红伟李慧王晓磊

(1中国水务投资有限公司，北京 100053；2山西工程职业学院，太原 030009；3河北工程大学，河北邯郸 056038)

0 前言

型钢混凝土组合结构，也称SRC组合结构，是指在混凝土内部配置一定的型钢和钢筋，使三种材料共同起作用的一种新型结构。与钢筋混凝土结构及钢结构相比，型钢混凝土结构的承载力高、刚度大，有良好的耗能能力，且整体稳定性较高、耐火性较好，因此在实际工程中得以广泛应用，同时也带来了更多的社会效益和经济效益。从最初的仅用于高层、超高层结构，到扩展到大跨度、结构形式多样的桥梁工程[1]，型钢混凝土组合结构的相关规范与理论也越来越成熟。

目前，国内外学者对型钢混凝土组合结构进行了大量研究。唐锦蜀[2]、赵庆龙[3]、李启星[4]等对不同形式的型钢-混凝土组合梁在荷载作用下的承载性能进行了探究；马辉等[5-6]对型钢混凝土柱抗压、抗剪承载力进行了研究并提出了相关计算公式；王威[7]、黄宗明[8]等对型钢混凝土剪力墙抗震性能进行了分析并提出了改善措施。纵观之前的研究成果，主要侧重于梁、柱、剪力墙等方面，而对组合板的研究较少。目前国内使用的大多为压型钢板-混凝土组合板，而这种板由于压型钢板布置位置的原因，其耐火性能较差，且需要通过配筋来提高板的抗拉抗剪强度，这就要求满足配筋率的限制。鉴于此，本文设计了一种新型型钢混凝土组合板，将型钢完全包裹在混凝土内部形成实腹式，不仅能改善其防火防腐性能，而且组合板的抗剪能力也得以提高，且能有效避免板的局部失稳破坏。为了探究新型组合板的承载性能，本文结合相关规范对板进行设计，并通过改变型钢翼缘宽度和型钢在板中的位置，运用Abaqus有限元软件对其抗弯承载力进行分析，探究不同因素变化时组合板承载性能的变化情况，以期找出板的最优的布置方式，为之后的相关研究提供参考。

1 有限元模拟

1.1 数值模拟方案

为了探究型钢翼缘宽度和型钢布置位置变化时对板的承载力和挠度的影响，本文共设计了5块组合板模型，编号为B1-B5，各因素变化时的取值如表1所示。组合板内的横、纵向型钢通过焊接的方式连接，纵向型钢的型号为150×150×10×7，横向型钢的型号为100×100×8×6。同时，组合板在距离混凝土上、下表面15mm的位置分别铺设一层钢筋网片，直径为8mm。板内未设置抗剪连接件，视为型钢骨架与混凝土共同工作，不存在相对滑移。组合板的截面图如图1所示。

表1 各因素的取值

图1 组合板截面图(单位：mm)

1.2 材料属性

Abaqus中钢材的本构模型采用弹塑性模型，应力应变关系曲线满足如下表达式：

本文钢材弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比0.3，抗拉强度为315N/mm2。图2是按式(1)、(2)计算得出的钢材本构模型。

图2 钢材的本构关系曲线

对于混凝土的材料属性，本文采用混凝土损伤塑性模型进行模拟，该模型常用于分析结构在单调加载、循环加载及动态加载情况下的受力，本身是通过定义膨胀角、偏心率、轴心抗压应力、压缩特性和拉伸特性进行混凝土真实材料属性的定义[9]，具体数值见表2。

表2 混凝土的参数

1.3 单元类型

本文对混凝土采用线性减缩积分单元，即C3D8R单元；型钢采用壳单元，即S4R单元；钢筋采用桁架单元，即T3D2；支座及加载点处的垫块均采用刚性体。

1.4 接触的建立

模型在支座处及加载点处均设置了垫块，垫块与混凝土接触面位置处采用Tie接触，即将二者视为一个整体；整个型钢骨架由横向、纵向型钢焊接而成，焊接位置采用Tie接触；型钢骨架、钢筋网片嵌入混凝土内部，接触面采用Embedded Region，即不考虑二者与混凝土之间的粘结滑移；参考点与对应位置处的垫块上表面之间采用Coupling约束，即在点与区域之间建立耦合约束。

1.5 加载方案和约束条件

加载方案模拟：施加荷载时，采用按位移加载的方式，即在RP-1、RP-2两个参考点处施加位移，通过绘制位移加载曲线研究板的受力过程，分析板在达到挠度限值之前所能承受的极限荷载。其中挠度限值参照规范中对型钢混凝土梁的挠度要求，取L/250。

约束条件模拟：组合板前、后两个面采用YSYMM(U2=UR1=UR3=0)约束条件，支座处只约束X、Y、Z三个方向的位移，边界条件示意图如图3。

图3 边界条件示意图

2 模拟结果及分析

2.1 不同翼缘宽度对板承载性能的影响

由于采用位移加载的方式，因此型钢混凝土组合板的挠度直接体现板的极限承载力[10]。取构件B1、B2、B3进行模拟加载，对混凝土板的挠度变形进行分析，三块板的应力变形如图4所示。不难发现，三块板的应力云图十分相似，应力大小的分布区域大致相同。结合分析结果及模拟加载过程可以发现，整个破坏过程是逐步发生的，属于延性破坏。在荷载作用下，组合板下部混凝土受拉上部受压，开始加载时材料处于弹性变形阶段，随着荷载不断增大，下部混凝土逐渐开裂进入塑性变形阶段，型钢骨架也因此承受越来越大的拉力。而后荷载继续增大，裂缝沿纵向向上发展，型钢逐渐达到屈服，随后上部混凝土压碎，组合板完全失去承载能力。

图4 B1、B2、B3的位移云图

除此之外，从位移云图中可以看出，组合板跨中位置挠度变形最大，支座位置处挠度较小，其余部位的挠度位于两者之间，因此挠度的变化规律为由中间向两边递减。提取各组合板跨中挠度，利用软件做出荷载-挠度曲线，如图5所示。

图5 型钢翼缘宽度变化时组合板的荷载-挠度图

分析三条曲线形状及其发展趋势可以看出，B1板所能承受荷载最大，B2板与之接近，B3板则与二者相差较多。在加载到192kN之前，B1、B2、B3组合板均处于弹性变形阶段，荷载与挠度的关系曲线呈线性变化。继续加载，下部混凝土出现裂缝并逐渐退出工作，但当裂缝发展到型钢下翼缘附近时，受到型钢的阻止，裂缝发展出现“停滞”现象，因此荷载挠度曲线没有出现明显的拐点，上升段仍接近直线[11]。随着荷载继续增加，接近极限承载力时，各曲线依次出现拐点，后当荷载加至650kN时，B3板首先达到屈服，此时的挠度为3.111mm，此荷载即为B3板的极限承载力。而后加载达到787kN、810kN时，B2、B1组合板也相继达到屈服，屈服时的挠度分别为4.185mm、4.439mm。随后挠度继续增大，板所能承担的荷载基本维持不变。

通过上述三个组合板的荷载-挠度曲线的对比分析可知，适当增加纵向型钢翼缘宽度可以提高组合板承载力。翼缘较宽的B2板较B3板承载力提高了21.07%，究其原因，一方面是因为型钢截面面积的增加提高了构件整体的刚度；另一方面则是由于H型钢翼缘对混凝土的约束作用使两翼缘与腹板之间的混凝土形成“核心”区，当构件发生变形时，“核心”区混凝土在三向压力的作用下强度提高，从而增强了构件的承载能力，而翼缘宽度的增加则加强了这种约束作用[12]。另外，由于翼缘宽度的增加，组合板含钢量也随之增加，使其具有钢结构构件的某些性质，即达到屈服强度后承载力仍能缓慢增加，极限变形也较大，对板承载性能的提高有一定的积极影响。但这种影响并非一直随着翼缘宽度的增加而大幅增大，由计算结果可知B1板较B2板的极限承载力仅提高了2.92%，荷载-挠度曲线十分接近，可见当翼缘宽度增大到某一值时，继续增加对组合板承载力的影响并不明显。

2.2 不同型钢位置对板承载性能的影响

在保持组合板厚度不变的条件下，通过改变型钢距组合板上下表面的距离来探究布置在不同位置的型钢对板的承载性能的影响。分别取板B1、B4、B5进行有限元模拟，B1的位移云图见图4，B4、B5的位移云图如图6所示，三块板的荷载-挠度曲线如图7所示，相关参数及其承载能力对比见表3。

图6 B4、B5的位移云图

图7 型钢位置不同时组合板的荷载-挠度图

表3 B1、B2、B3承载能力对比

分析图7可知，在整个加载过程中，三种不同型钢位置的组合板在加载初期、受拉区混凝土开裂之前，型钢和混凝土的应力较小，这一阶段三块组合板受力情况基本相同。随着荷载增大，中和轴逐渐上移，当荷载达到195kN时，组合板进入弹塑性阶段，至荷载增至733kN板B5达到极限承载力这一阶段，型钢偏下布置的组合板B5的承载力较型钢居中布置的组合板B1承载力大，而挠度较小，表现出这一阶段型钢偏下布置更有利于其性能的发挥。后随着荷载的继续增加，当达到772kN、810kN时，B4、B1板也相继达到极限承载状态，二者的极限承载力比B5板高出5.32%、10.5%。

由此可知，不同的型钢位置对组合板的性能发挥有不同的影响。根据分析结果显示，型钢位置居中时，在整个受荷过程中其上、下翼缘的抗压、抗拉性能均能得到充分的发挥，组合板发生破坏失稳时上下翼缘均能达到屈服状态；而型钢位置偏下时，由于下部混凝土开裂后提早将荷载传递给型钢，致使型钢下翼缘达到抗拉屈服后其上翼缘受压区仍未达到屈服极限，由此说明型钢在板的居中位置布置可充分发挥其承载性能，而组合板所能承受的极限荷载也较大。

当型钢位置偏下时，能较为有效地控制构件的挠度变化。图7中B4、B5曲线的某一段超过了B1曲线，表现出承载力较B1板大，而挠度较小。对比数据分析，B1较B4承载力提高了4.9%，而挠度却增加了13.6%。其原因一是因为型钢位置偏下时，钢骨架能提早进入抗拉工作，二是由于型钢上翼缘形心距截面受压边缘距离增大，使构件刚度有所提高，所以能较好地控制挠度[13]。因此，当对组合板的承载能力有较高要求时，可选择B1板的布置方式；而当设计的组合板承载力足以满足要求，对构件变形控制要求较高时，可将型钢位置适当偏下布置，以便更好控制变形。