广州大学学报自然科学版７２第１６卷图１３种组合梁的几何尺寸图Ｆｇ１Ｇｅｍｅｔｒｃｓｚｅｆｔｈｒｅｅｃｍｐｓｔｅｂｅａｍｓ虑钢材退化阶段２单元模型的选取本节考虑组合梁各构件的特点主要选取４种不同的单元进行模拟分析钢梁的翼板以及腹

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萼姜
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1 第 16 卷第 2 期 2017 年 4 月广州大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofGuangzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.16 No.2 Apr 文章编号 : (2017) 种常用钢 - 混凝土组合梁受弯性能对比分析黄鑫 1, 向伟明 1, 王俊霖 2 1, 张缤 (1. 广州大学土木工程学院, 广东广州 ;2. 广州市鲁班建筑集团股份公司, 广东广州 ) 摘要 : 采用有限元软件 ABAQUS 分别建立纯工字型钢 - 混凝土组合梁钢梁包混凝土组合梁以及型钢混凝土组合梁模型, 指出不同类型组合梁之间抗弯承载力与混凝土模型损伤的差异, 讨论混凝土强度与钢材屈服强度等参数对组合梁受弯性能的影响, 提出不同强度等级材料搭配时组合梁类型选取类型方法, 在此基础上, 提出了不同强度等级材料搭配时组合梁类型最佳选取方法. 关键词 : 钢 - 混凝土组合梁 ; 受弯性能 ; 有限元分析 ; 组合梁中图分类号 :TU 文献标志码 :A 随着经济的发展和人口的增加, 激增的居住需求和有限的土地资源产生了巨大的矛盾, 高层建筑成为解决这一矛盾的有效方式. 高层建筑常表现为下部大空间, 上部小空间, 分别采用框架结构和剪力墙结构进行设计. 这时需在框架结构和剪力墙结构之间设置结构转换层, 以防止因结构形式的变化引起薄弱环节的破坏. 钢混凝土组合梁由于充分发挥了混凝土以及钢材的协调配合作用, 具有极高的抗弯承载力, 因此, 被广泛地使用于转换层中 [1]. 在目前高层建筑物中钢筋混凝土梁得到了广泛的运用, 但是纯钢筋混凝土梁抗震性延性以及抗裂性较差. 研究表明, 采用钢混凝土组合梁的相关性能明显优于传统的钢筋混凝土梁, 比如, 型钢混凝土组合梁抗震性能显著强于传统钢混梁 [2]. 但当型钢组合梁承受较大荷载和正常使用条件下抗裂性能也将成为结构设计考虑的重要因素, 而这也将导致组合梁构件的截面过于庞大, 自重增加, 对于地震的敏感程度会加大, 故此, 为了得到最为经济合理的结构设计, 将实际工程中常用的 3 种类型组合梁进行对比分析. 通过对比 3 种类型型钢组合梁在不同参数作用下的受力性能, 最终得出组合梁的优化值和最优选择方案. 1 3 种组合梁受弯性能的对比分析本文的建模依据来自于钢结构设计规范组合结构设计规范型钢混凝土组合结构技术规程钢骨混凝土结构设计规程等规范规程的相关规定 [3-6]. 组合梁的极限抗弯强度受到及钢材的屈服强度影响较大, 故在运用有限元软件建模过程中将着重考虑, 以更好地指导结构设计人员对组合梁进行优化设计. 1.1 有限元模型的建立本小节运用有限元软件 ABAQUS 分别建立型钢混凝土组合梁钢梁包混凝土组合梁以及纯工字型钢 - 混凝土组合梁等模型进行抗弯性能分析, 并将其软件计算结果进行对比分析. 根据试验试件建立相应的组合梁相应的模型 [7], 本文仅建立 2/3 模型是考虑到试验梁的几何构造及加载形式存在对称性, 试验模型见图材料本构模型建立 (1) 混凝土本构模型的建立模型需要考虑混凝土拉伸塑性压缩及各向弹性损伤的因素的影响, 故综合考虑后选用混凝土塑性损伤模型, 更能反映组合梁的复杂的受力情况. (2) 钢材本构模型的建立模型中的垫块选用线弹性模型, 加劲肋抗剪连接构件翼板的配筋以及钢梁使用弹塑性模型在设计中抗拉连接件及钢筋需要考虑抗拉极限强度准则, 所以在钢材进入强化阶段时,2 者均采用双折线线性强化弹塑性本构关系, 而其余构件以屈服强度为设计值. 特别指出, 所有的构件均不考收稿日期 : ; 修回日期 : 作者简介 : 黄鑫 (1991-), 男, 硕士研究生.E mail: @qq.com

2 广州大学学报自然科学版７２第１６卷图１３种组合梁的几何尺寸图Ｆｇ１Ｇｅｍｅｔｒｃｓｚｅｆｔｈｒｅｅｃｍｐｓｔｅｂｅａｍｓ虑钢材退化阶段２单元模型的选取本节考虑组合梁各构件的特点主要选取４种不同的单元进行模拟分析钢梁的翼板以及腹板选用４节点四边形线性减缩积分壳单元Ｓ４Ｒ进行模拟砼板采用８节点六面体线性减缩积分实体单元Ｃ３Ｄ８Ｒ模拟加劲钢筋连接件单元以及桁架单元可以直接嵌入混凝土单元板之中以模拟钢筋与抗剪连接件在混凝土中的工作状态５单元网格的划分经过综合分析确定模型中连接件单元网格尺寸为１００ｍｍ其余构件单元网格尺寸为５０ｍｍ在以下叙述中用代号ＣＢ１代替工字型钢混４Ｒ模拟因砼肋则选用４节点减缩积分壳单元Ｓ中钢筋抗弯刚度小只考虑其轴向拉压作用可采２代替钢梁包混凝土组合梁ＣＢ凝土组合梁ＣＢ３代替型钢混凝土组合梁其中ＣＢ１与ＣＢ２的用２节点三维线性桁架单元Ｔ３Ｄ２模拟在部分抗加载方式和跨度相同组合梁中所使用的混凝土剪连接组合梁中钢筋混凝土之间会产生显著的材料等级与板一致ＣＢ２与ＣＢ３的接触跨度以相对滑移其连接件可采用１０节点四面体２次修及加载方式相同钢材和混凝土材料特性相等但正单元Ｃ３Ｄ１０Ｍ模拟它们的截面尺寸不同即通过以下方法来得到各３荷载与边界条件的选取依据试验情况有限元模型采用位移控制加组合梁的截面尺寸情况首先用事先设定好截面尺寸的ＣＢ１进行分析得到其弯矩剪力设计值载方式在模型加载点上施加位移荷载点荷载通过耦合约束作用均匀传递在垫块上并通过此求以及其配筋情况再用已经得到的各内力值来设２的截面尺寸放入整体结构中进行分析计计ＣＢ得模型的荷载挠度曲线在模型的对称处截面算随后用同样的方法来得到ＣＢ３的截面尺寸节点上施加滑移约束在支座位置处施加水平滑在此基础上来对比３种组合梁的受弯性能３种组动铰支座４模型接触设置合梁均不计梁与板之间的粘接滑移影响并采用完全抗剪连接构件的详细参数见表考虑到砼板与钢梁之间相对滑移作用故交本文在进行有限元分析过程中均考虑了几何接面采用面面接触在交接面的法向上设置硬接触模拟允许交接面之间力的传递切向上则通非线性的影响但不考虑梁与板的初始的几何缺陷焊接残余应力以及应力缺陷等的影响为了提过设置摩擦系数模拟切向作用并允许交接面之间产生滑移摩擦系数取为０３５高计算效率并考虑到加载方式以及几何尺寸的对称性故只建立二分之一模型进行分析

3 第 2 期黄鑫等 :3 种常用钢 - 混凝土组合梁受弯性能对比分析 73 表 1 组合梁详细参数 Table1 Parametersofcompositebeam f cu /MPa f c /MPa f y /MPa f uk /MPa ρ st /% n/n f 加载方式点对称加载 1.2 抗弯承载力的对比图 2 为 3 类组合梁的跨中挠度与跨中矩关系曲线图.CB 1 与 CB 2 变化趋势相近.2 种组合梁的弹性阶段均是当其跨中挠度小于 29mm 时 ; 随着跨中挠度的增加, 其跨中弯矩趋于平稳, 组合梁也进入了弹塑性阶段, 此时梁 CB 2 抗弯刚度明显大于梁 CB 1, 且随着荷载的增大下降的程度小于梁 CB 1; 当 2 组梁进入塑性强化阶段, 即跨中挠度达到 46mm 时, 此时梁 CB 2 极限抗弯强度达到 220 9MPa, 与 CB 1 相比增加了 33 6%, 同时混凝土用量提高了 33 2%, 由此可以得到结论, 在梁的腹板 2 侧包裹混凝土可显著提高梁的抗弯承载力. 图 2 3 种梁跨中挠度 - 弯矩曲线图 Fig.2 Deflectionbendingmomentcurvesofthreekindsof beams CB 3 的弹塑性阶段与弹性阶段之间并没有明显的界限, 其截面的抗弯刚度处于在工字钢组合梁 CB 1 和外包钢组合梁 CB 2 之间. 当梁的跨中挠度达到 74mm 时, 此时由于受压区混凝土被压溃,CB 3 达到其极限抗弯承载力 212 5MPa, 虽然与 CB 2 的 221 8MPa 相差不大, 但相对的挠度却降低了 42 9%; 此后承载力下降速率加快是由于大部分荷载仅仅依靠组合梁的受弯进行承载, 当跨中挠度达到 124mm 时, 抗弯承载力为 MPa, 远低于其极限承载力, 下降了将近 1/3. 通过图 2 和表 2 的对比分析可得, 在钢材和混凝土用量一致的情况下,CB 2 与 CB 3 均具有较高的承载力, 但后者易发生脆性破坏, 延性较差, 故从经济性安全性以及受力性能等方面进行综合考虑, 在设计中选用可优先钢梁包混凝土组合梁 [8-9]. Table2 表 2 3 种梁极限抗弯承载力的对比表 Comparisononultimateflexuralcapacityofthree beams 组合梁类型 CB 1 CB 2 CB 3 M ut /MPa 挠度 /mm 承载力的提高幅度 /% 挠度的降低幅度 /% 组合梁参数分析的对比通过有限元软件初步分析对比 3 种转换组合梁的受弯性能, 本节继续分析钢材屈服强度及混凝土强度等参数对于 3 种类型试件承载力的影响, 并根据试验结果对组合梁设计进行深化. 2.1 混凝土强度的影响本小节研究不同混凝土强度对于组合梁极限抗弯承载力的影响, 分别取 C20 C40 C60 等 3 个层次混凝土强度, 混凝土轴心抗压强度取为设计值, 钢材的屈服强度统一取 463 4MPa. 表 3~5 分别采取不同强度等级混凝土强度 (C20 C40 C60) 对于 CB 1 CB 2 及 CB 3 承载力的影响. 分析对比表中数据可得, 随着的提升, 其极限抗弯承载力的提升幅度也不一样.CB 1 梁提升幅度较小, 幅度不到 10%, 当混凝土强度为 C20 至 C40 这区间时,CB 2 梁提升显著, 当处于 C40 至 C60 这个区间时, 极限抗弯承载力出现轻微下降, 但对于试件 CB 3, 随着不断增加, 其抗弯承载力也随之增大,C40 到 C60 这个区间, 增幅高达 23 31%. 表 3 差异化 CB 1 极限抗弯承载力的对比 Table3 ContrastonCB 1ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 C

4 74 广州大学学报 ( 自然科学版 ) 第 16 卷表 4 差异化 CB 2 极限抗弯承载力的对比 Table4 ContrastonCB 2ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 C 表 5 差异化 CB 3 极限抗弯承载力的对比 Table5 ContrastonCB 3ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 C 钢材屈服强度的影响为探讨不同钢材屈服强度下对于组合梁极限抗弯承载力的影响, 分别取 Q235 Q345 Q390 和 Q420 等 4 个层次的钢材屈服强度, 设计值取屈服强度, 混凝土立方体抗压实测值统一取为 40 98MPa. 表 6~8 分别为取以上 4 个层次钢材屈服强度对于组合梁极限抗弯承载力的影响对比表格. 从表中数据对比可得, 钢材屈服强度从 Q235 换成 Q345, 梁 CB 1 极限抗弯承载力增幅最大, 为 45 01%, 梁 CB 2 次之, 梁 CB 3 最小. 随着钢材屈服强度的提表 6 差异化钢材强度等级 CB 1 极限抗弯承载力的对比 Table6 ContrastonCB 1ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 Q 提高一级钢材强度等级表 7 差异化钢材强度等级 CB 2 极限抗弯承载力的对比 Table7 ContrastonCB 2ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 Q 提高一级钢材强度等级表 8 差异化钢材强度等级 CB 3 极限抗弯承载力的对比 Table8 ContrastonCB 3ultimateflexuralcapacityofcon M ut /MPa 较 Q 提高一级钢材强度等级高, 其对于组合梁极限抗弯承载力的提升的幅度越来越小, 比如钢材屈服强度从 Q390 变为 Q420, 梁 CB 1 极限抗弯承载力相对于 Q390 增幅为 7 37%, 梁 CB 2 为 5 66%, 梁 CB 3 为 1 60%. 综合分析以上数据可得, 提升钢材屈服强度对于组合梁的极限抗弯承载力的影响较增加更为显著 [10]. 2.3 组合梁的最佳选型依据以上分析结论可得, 当低强度混凝土搭配高屈服强度钢材时, 从经济性考虑最佳的是钢梁包混凝土组合梁 ; 当低屈服强度钢材搭配高强度混凝土时, 最为经济的为型钢混凝土组合梁. 表 9 为在不同和不同钢材屈服强度下实现组合梁最优的极限抗弯承载力的搭配类型. 表 9 不同强度等级材料搭配时组合梁类型选取类型 Table9 Typeselectionofcompositebeamswithdif ferentstrengthgradematerials 材料强度等级低高低钢材强度等级 CB 2 或 CB 3 CB 3 高钢材强度等级 CB 2 CB 2 或 CB 3 3 小结与展望本文采用有限元软件 ABAQUS 对 3 种不同类型组合梁建立模型, 通过控制变量的方法来分析不同参数对组合梁承载力的影响. 计算分析得到以下结论 : (1) 提高钢材强度等级比提高对于提升组合梁的极限抗弯承载力幅度更有效果 ; (2) 钢材屈服强度的提升虽对组合梁抗弯刚度影响不大, 但是能显著高其抗弯承载力 ; (3) 为了提高钢材与混凝土之间的协调工作能力, 针对不同强度的钢材搭配相对应的强度的混凝土, 以发挥钢材与混凝土最大性能 ;

5 第 2 期黄鑫等 :3 种常用钢 - 混凝土组合梁受弯性能对比分析 75 目前我国结构设计水平尚待提高, 希望设计师能够提高理论水平, 结合规范和实验数据, 设计出更为经济适用的结构. 也同时期望土木行业的专家们能将材料协同工作程度纳入至规范中, 使得设计更加科学. 参考文献 : [1] 唐兴荣. 高层建筑转换层结构设计与施工 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2012. TANGXR.Designandconstructionofhighrisebuildingtransferstory[M].Beijing:ChinaArchitectureIndustryPres,2012. [2] 傅传国, 梁书亭, 马辉. 钢骨型钢混凝土梁式转换层结构抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构,2000,20(4): FUCG,LIANGST,MAH.Experimentalstudyontheseismicperformanceoflayerstructuralsteelreinforcedconcrete beam[j].buildstruct,2000,20(4): [3] GB , 钢结构设计规范 [S]. 北京 : 中国计划出版社,2003. GB ,Steelstructuredesigncode[S].Beijing:ChinaPlanningPres,2003. [4] JGJ , 组合结构设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2016. JGJ ,Compositestructuredesigncode[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPres,2016. [5] JGJ , 型钢混凝土组合结构技术规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2001. JGJ ,Technicalspecificationforsteelreinforcedconcretecompositestructures[S].Beijing:ChinaArchitecture andbuildingpres,2001. [6] YB , 钢骨混凝土结构设计规程 [S]. 北京 : 冶金工业出版社,2007. YB ,Codefordesignofconcretestructuressteel[S].Beijing:MetalurgicalIndustryPres,2007. [7] 聂建国, 李红有, 唐亮. 高强钢混凝土组合梁受弯性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2009(4): NIEJG,LIH Y,TANGL.Highstrengthsteelconcretecompositebeam flexuralperformancetestonthe[j].jbuild Struct,2009(4): [8] 聂建国, 魏捷, 陈戈. 钢 - 混凝土叠合板组合梁在连体结构中的应用 [J]. 建筑结构,2002,32(4): NIEJG,WEIJ,CHENG.Applicationofsteel concretecompositeplatecompositebeaminconnectingstructure[j].build Struct,2002,32(4): [9] 聂建国, 沈聚敏, 袁彦声. 钢 - 混凝土简支组合梁变形计算的一般公式 [J]. 工程力学,1994,11(1): NIEJG,SHENJM,YUANYS.Thesteel concretecompositebeamdeformationcalculationof[j].engmech,1994,11 (1): [10] 聂建国, 樊健生, 王挺. 钢 - 压型钢板混凝土组合梁裂缝的试验研究 [J]. 土木工程学报,2002,35(1): NIEJG,FANJS,WANGT.Experimentalstudyoncrackofsteelplateconcretecompositebeams[J].JCivilEng,2002, 35(1): Contrastandanalysisontheflexuralpropertiesof threekindsofsteelconcretecompositebeam HUANG Xin 1,XIANG Wei ming 1,WANG Jun lin 2,ZHANG Bin 1 (1.SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China; 2.GuangzhouLubanConstructionGroupCo.,Ltd.,Guangzhou510006,China) Abstract:ThispapersumsupthemethodoffiniteelementanalysisonthebendingperformanceofH shapedsteel beam,steelbeamconcretecompositebeamandsteelreinforcedconcretecompositebeamabouttheirultimateben dingresistance.italsopointsoutthediferenceonthecapacityofwithstandbendingandthedamageofconcrete modelsamongdiferentkindsofcombinationbeam.thispaperdiscusestheinfluenceofconcretestrength,yield strengthofsteelproductsandputsforwardmethodsofmatchingmaterialsofdiferentgrades.onthebasisofthese, theprospectoftheresearchonthecalculationofthecolaborativeworkdegreeofmaterialsofthecompositebeam isforwarded. Keywords:steelconcretecompositebeam;flexuralperformance;finiteelementanalysis;compositebeam 责任编辑 : 孙向荣

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Microsoft Word - 封面.doc 1.1 钢 -- 混凝土组合梁的概述和发展历史钢 - 混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型的结构形式其与传统的混凝土结构和钢结构既有密切的联系又有所不同目前, 钢 - 混凝土组合结构按照其在结构中的位置和作用可分为 : 组合梁, 组合楼板, 组合柱及组合剪力墙等, 其中钢 - 混凝土组合梁按照下部钢梁的处理可以分为外包混凝土的组合梁和钢梁外露的组合梁, 如图 (1.1),