砼疊合連續(xù)梁特殊截面處正截面受力性能分析

高榮譽(yù)， 李 平

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

混凝土疊合結(jié)構(gòu)由于具有減少施工周期，節(jié)省建筑用材，整體性能好，抗震性能優(yōu)越，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)正逐漸代替整澆式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)而成為最有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y(jié)構(gòu)。國外學(xué)者在20世紀(jì)20年代開始對混凝土疊合梁進(jìn)行了全方面的研究，但主要集中在一階段受力時簡支疊合梁結(jié)構(gòu)的受力性能分析，到20世紀(jì)90年代開始了對疊合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，并在此方面取得了較為顯著地研究成果，而且已被國家混凝土規(guī)范所采用。

國內(nèi)外研究者對兩階段受力疊合簡支梁的正截面和斜截面受力性能進(jìn)行了一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，基本上得出了兩階段受力疊合梁的受力特點(diǎn)并發(fā)表了一定數(shù)量的期刊和論文。但對混凝土疊合連續(xù)梁的受力特性，無論是從正截面方面還是從斜截面方面，所介紹的文獻(xiàn)和期刊都是比較少的，本文通過利用大型有限元軟件ANSYS模擬一根兩等跨疊合連續(xù)梁和對比梁，來介紹疊合連續(xù)梁在兩階段制造和兩階段受力時特殊截面處正截面的受力特性，在前人研究的基礎(chǔ)上，知道連續(xù)梁在跨中和支座處所受的力具有一定的代表性，如若梁的截面尺寸及配筋合理則連續(xù)梁會首先在支座處出現(xiàn)塑性鉸，使結(jié)構(gòu)變成靜定結(jié)構(gòu)，在繼續(xù)加載的情況下，會在跨中最大彎矩處出現(xiàn)塑性鉸從而使結(jié)構(gòu)變成機(jī)動體系，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，所以對跨中截面和支座處截面進(jìn)行研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的［1］。

1 特殊截面處受力特點(diǎn)

在實(shí)際工程中，相對于疊合簡支梁來說，疊合連續(xù)梁具有更大范圍的實(shí)用性和應(yīng)用性。其截面的受力性能與簡支疊合梁的受力性能存在較大的差別。但由于同是疊合結(jié)構(gòu)，所以它們具有受拉鋼筋應(yīng)力超前和受壓混凝土應(yīng)力滯后等共同特性，而與相應(yīng)的整澆連續(xù)梁對比，由于疊合連續(xù)梁是兩階段施工和兩階段加載，它又具有支座負(fù)彎矩滯后的特性。本文將通過對疊合連續(xù)梁的跨中截面和支座截面不同的受力特性進(jìn)行分析來闡述疊合連續(xù)梁的受力特點(diǎn)［2－5］。

1．1 跨中截面受力特點(diǎn)［1］

疊合連續(xù)梁由于兩階段制造和兩次加載這不同于一般整澆梁的受力特點(diǎn)，所以其受力特點(diǎn)也是不同的。第一次受力F1時，力作用在簡支梁上，由于本文是兩點(diǎn)集中加載，故在簡支梁的跨中，彎矩圖平行于梁的軸線，也就是說在簡支梁的跨中有純彎段，剪力為零。而相應(yīng)的對比梁在承受相同的荷載下，由于對比梁是一次超靜定結(jié)構(gòu)，其跨中彎矩相對簡支梁而言是較小的，而且它也不是純彎段，存在一定的剪力，因此可以看出此時疊合連續(xù)梁跨中受拉鋼筋應(yīng)力比對比梁要大疊合連續(xù)梁受壓區(qū)混凝土應(yīng)力比對比梁受壓區(qū)混凝土應(yīng)力要小些，即混凝土應(yīng)力滯后。第二次受力F2時，力作用在連續(xù)梁上，此時兩跨的連續(xù)梁是一次超靜定結(jié)構(gòu)，由于受力F1作用的影響，疊合后的連續(xù)梁產(chǎn)生了荷載預(yù)應(yīng)力，使疊合梁在二次受力時簡支梁的預(yù)壓區(qū)逐漸成為受拉區(qū)，由二次荷載引起的拉應(yīng)力先抵消此部分壓應(yīng)力使得疊合梁的跨中截面受拉鋼筋應(yīng)力增長速度小于相應(yīng)對比梁，則鋼筋的應(yīng)力超前值得到緩解。

1．2 支座截面受力特點(diǎn)

梁支座處由于受集中力的作用，其剪力是很大的。連續(xù)梁更是如此，且兩跨的連續(xù)梁在中間支座處還承受一定的負(fù)彎矩。對于疊合連續(xù)梁來說，在第一次受力F1時，力作用在簡支梁上，此時支座彎矩為0，而承受相同荷載的對比梁此時中間支座有一定的負(fù)彎矩，因此疊合連續(xù)梁支座處受拉鋼筋應(yīng)力滯后，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力滯后。在第二次受力F2時，疊合連續(xù)梁支座處存在負(fù)彎矩，而且由于受第一階段力的影響，跨中截面的荷載預(yù)應(yīng)力引起了跨中截面內(nèi)力重分布，使跨中內(nèi)力向支座內(nèi)力進(jìn)行重分布，這與通常的整澆連續(xù)梁支座彎矩大于跨間彎矩的情況是截然不同的。由于內(nèi)力的重分布，使疊合連續(xù)梁支座處的應(yīng)力增量比相應(yīng)的對比梁要大，同時支座處負(fù)彎矩鋼筋的應(yīng)變增長率大于對比梁。

2 模型建立及分析

ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計(jì)算機(jī)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。廣泛應(yīng)用在土木建筑行業(yè)。疊合連續(xù)梁具有兩階段施工和兩階段加載的受力特性，ANSYS運(yùn)用生死單元及重啟動技術(shù)等相關(guān)命令能較好地模擬疊合梁正截面的受力特征。

2．1 基本假定

（1）平截面假定:受荷前后截面變形保持為平面，截面應(yīng)變沿高度呈直線分布。

（2）疊合前后的接觸面粘結(jié)完好，不考慮相對滑移。

（3）鋼筋與混凝土之間粘結(jié)緊密，無滑移。

2．2 模型單元

在ANSYS模擬中，混凝土采用的是SOLID65單元，此單元可以很好的模擬混凝土拉裂與壓碎的受力特性。而鋼筋的模擬單元采用的是LINK8，它是一種適用于多種工程實(shí)際的桿元素，這種桿元素只能承受單軸的拉壓，在結(jié)果中可以很好地繪制鋼筋的主應(yīng)力和等效應(yīng)力圖。支座墊塊采用的是SOLID45單元，此單元主要用于構(gòu)造三維的實(shí)體結(jié)構(gòu)，具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力。采用墊塊是為了防止支座處和荷載作用處發(fā)生應(yīng)力集中，因此在材料屬性設(shè)置其要求要比混凝土要高。

2．3 模型尺寸及材料

本文模擬疊合連續(xù)梁模型的尺寸為:每跨梁總長3m，凈長為2．8m，共兩跨，梁寬200mm，梁高500mm，疊合前后梁的截面高度比為h1／h＝0．6，即h1＝300mm。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2010）規(guī)定疊合梁的疊合層混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C30，故模擬時預(yù)制層和疊合層混凝土的強(qiáng)度等級皆取為C30。支座距離混凝土梁邊緣200mm，箍筋采用φ10＠200，架立筋為2φ16，縱筋為2Φ18。采用兩點(diǎn)加載，即每跨梁上受兩個集中荷載。在兩側(cè)距支座1000mm處預(yù)制部分和疊合部分先后各施加力F1＝50kN、F2＝100kN，其中力F1直接加在預(yù)制部分的梁上，F(xiàn)2加在疊合后的梁上的墊塊上，避免力過大導(dǎo)致梁上產(chǎn)生應(yīng)力集中。支座約束按照連續(xù)梁的一般約束進(jìn)行定義。對比梁的尺寸及所用材料與疊合梁完全相同，所用加載方式也是兩點(diǎn)加載，在距支座1000mm處施加力F＝150kN。所建模型及配筋如圖1、圖2、圖3所示:

圖1 疊合梁配筋圖及截面設(shè)計(jì)

圖2 一次加載時模型圖

圖3 整體模型圖

2．4 結(jié)果分析

對疊合連續(xù)梁進(jìn)行非線性靜定結(jié)構(gòu)分析，可供后處理程序提取結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及反作用力，顯示裂縫的分布情況等。

2．4．1 受拉鋼筋應(yīng)力超前分析［3］

通過ANSYS模擬，現(xiàn)提取疊合梁在第一次受力F1時預(yù)制部分跨中受拉鋼筋的應(yīng)力時間圖及受相同荷載的對比梁跨中受拉鋼筋應(yīng)力時間圖。如圖4所示:

圖4 跨中受拉鋼筋應(yīng)力時間圖

從圖4可以看出，疊合梁在第一次受力時預(yù)制部分跨中受拉鋼筋在時間為2s時應(yīng)力達(dá)到40MPa，而在受相同荷載的對比梁上，跨中受拉鋼筋在時間為2s時應(yīng)力達(dá)到12．5MPa，前者大于后者，整體來看，疊合梁在一次受力時跨中受拉鋼筋的應(yīng)力為相應(yīng)對比梁的3倍左右，因此很容易看出疊合梁跨中受拉鋼筋應(yīng)力超前現(xiàn)象。

2．4．2 受拉鋼筋應(yīng)力滯后分析

疊合梁在二次加載時，中支座處于受負(fù)彎矩狀態(tài)，而在第一次加載時，由于是加載在簡支構(gòu)件上，中支座的彎矩為0，相應(yīng)的此時鋼筋的應(yīng)力也為0。與相應(yīng)對比梁比較，施加相同荷載時，對比梁的中支座彎矩要比疊合梁的大，因此疊合梁支座處受拉鋼筋應(yīng)力滯后，這是疊合連續(xù)梁所特有的特性。現(xiàn)從ANSYS中提取二次受力時中支座負(fù)彎矩處鋼筋應(yīng)力時間圖，如圖5所示:

圖5表明，疊合梁在時間為0－2s時，鋼筋應(yīng)力為0，在2s滯后才有應(yīng)力，而對比梁在2s時鋼筋應(yīng)力為140MPa左右，疊合梁支座處鋼筋最大應(yīng)力為112．5MPa左右，可以看出疊合連續(xù)梁鋼筋應(yīng)力小于對比梁的鋼筋應(yīng)力，反應(yīng)出疊合連續(xù)梁所特有的性質(zhì)支座負(fù)彎矩處鋼筋應(yīng)力滯后現(xiàn)象。

圖5 支座負(fù)彎矩鋼筋應(yīng)力時間圖

2．4．3 受壓混凝土應(yīng)力滯后分析

疊合連續(xù)梁第一階段加載是在預(yù)制部分，所以其后澆層混凝土沒有產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，第二次加載是在后澆層上，此時后澆層混凝土產(chǎn)生了應(yīng)力。由于第一階段的加載使構(gòu)件產(chǎn)生了荷載預(yù)應(yīng)力，使后澆層受壓區(qū)混凝土在跨間產(chǎn)生的應(yīng)力小于相同荷載對比梁上后澆層受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力，現(xiàn)從ANSYS中提取二次受力時混凝土應(yīng)力云圖，如圖6所示:

圖6 二次受力時混凝土應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，后澆層混凝土在跨間的應(yīng)力等值線圖顯示的是暗黃色，在疊合連續(xù)梁中此顏色的應(yīng)力值為－0．979382MPa，而在對比梁中此顏色代表的應(yīng)力值為－1．239MPa，在ANSYS的應(yīng)力云圖中拉為正號顯示，壓為負(fù)號顯示，由此可以看出疊合梁后澆層在受壓區(qū)的混凝土應(yīng)力小于對比梁相應(yīng)區(qū)域的混凝土應(yīng)力，從而反映出受壓區(qū)混凝土應(yīng)力滯后現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過對混凝土疊合連續(xù)梁和對比梁進(jìn)行的模擬對比，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）由于第一階段加載時預(yù)制構(gòu)件較低，且處于簡支狀態(tài)，故跨中受拉鋼筋及受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生較大的應(yīng)變，而相應(yīng)對比梁在相同荷載作用下，因其截面高而鋼筋應(yīng)變值要小很多，這就產(chǎn)生了疊合連續(xù)梁跨中截面受拉鋼筋應(yīng)力超前、后澆層受壓區(qū)混凝土應(yīng)力滯后現(xiàn)象。

（2）疊合連續(xù)梁在第一階段加載時為簡支狀態(tài)，故支座彎矩為0，與整體連續(xù)對比梁相比較存在支座負(fù)彎矩滯后現(xiàn)象，這是疊合連續(xù)梁所特有的性質(zhì)。

（3）疊合連續(xù)梁在跨中和支座這兩處特殊截面的受力性質(zhì)與一般的整澆梁存在一定的區(qū)別，所以在設(shè)計(jì)和施工時應(yīng)考慮此種現(xiàn)象，避免疊合連續(xù)梁少筋和超筋破壞。

1 周旺華．現(xiàn)代混凝土疊合結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998．

2 GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社．

3 劉文春，高榮譽(yù)，趙梅．疊合梁斜截面抗剪性能的數(shù)值研究與分析［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，17（3）:6－10．

4 侯小美，黃賽超．二次受力混凝土連續(xù)疊合梁的非線性分析［J］．中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，32（5）:465－468．

5 常鵬，姚謙峰．鋼筋混凝土疊合梁斜截面承載力數(shù)值模擬與影響因素分析［D］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15（12）:16－20．