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

江西建材 2018年13期

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。