內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土組合梁承載能力數(shù)值分析

李世平,王鈞

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內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土組合梁承載能力數(shù)值分析

李世平,王鈞

東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150040

針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)置鋼箱-混凝土組合梁受拉區(qū)混凝土未能充分發(fā)揮作用且增加了梁自重的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土梁，基于6根新型內(nèi)置鋼箱-混凝土組合梁受彎性能的非線性研究，分析了其受力過(guò)程、承載能力和變形性能等。結(jié)果表明:內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土梁可充分發(fā)揮鋼與混凝土各自的力學(xué)性能，具有良好的承載能力和抗變形性能。梁構(gòu)件正截面承載力可采用基于平截面假定方式設(shè)計(jì)計(jì)算，為工程實(shí)踐提供依據(jù)的同時(shí)，也為大尺度預(yù)應(yīng)力型鋼-混凝土梁更廣泛的技術(shù)應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土梁; 承載力; 剛度; 數(shù)值分析

1 引言

1.1 現(xiàn)有鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及其存在的不足

現(xiàn)有鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)按其受力特性可以分為兩大類，即以受彎為主的梁結(jié)構(gòu)形式和以受壓為主的柱結(jié)構(gòu)形式，前者主要包括型鋼-混凝土板疊合式組合梁和型鋼-混凝土組合梁；后者常見(jiàn)的組合結(jié)構(gòu)形式主要有鋼管混凝土組合柱；型鋼-混凝土板疊合式組合梁具有自重輕，承載能力高，構(gòu)件高度小等特點(diǎn)，在既有建筑中應(yīng)用較為普遍[1,2]；但當(dāng)構(gòu)件受彎時(shí)，混凝土板承受栓釘擠壓的同時(shí)，局部橫向拉應(yīng)力增大，易使混凝土產(chǎn)生縱向裂縫，同時(shí)，由于混凝土與型鋼粘結(jié)滑移效應(yīng)的影響，剪力連接件的使用易使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化[3]；型鋼-混凝土組合梁具有承載力高，強(qiáng)度、延性和耗能能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，但當(dāng)構(gòu)件受彎時(shí)，中性軸以下部分混凝土不能夠充分發(fā)揮受壓作用，造成材料不必要的浪費(fèi)的同時(shí)，也增加了梁結(jié)構(gòu)自重。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用在受壓結(jié)構(gòu)中具有良好的組合結(jié)構(gòu)性能，鋼管對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)能夠明顯提高混凝土強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了構(gòu)件的承載能能力[5,6]。但由于混凝土抗拉性能較差，受拉區(qū)不能充分地發(fā)揮混凝土作用，應(yīng)用在梁構(gòu)件中不能充分地發(fā)揮其組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

1.2 新型部分中空鋼箱-混凝土組合梁的提出

基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述組合結(jié)構(gòu)形式的研究與分析，提出新型部分中空鋼箱-混凝土組合梁，它在充分地發(fā)揮兩類組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又能有效地避免其不足，具體截面形式如圖1所示。內(nèi)置部分中空鋼箱-混凝土梁，即用同等強(qiáng)度的鋼板將鋼箱分為上下兩室，上室灌注混凝土，下室中空；根據(jù)受力合理設(shè)計(jì)鋼板隔板位置，使其上室內(nèi)混凝土完全處于受壓區(qū)，下室中空，從而減輕結(jié)構(gòu)自重。由于鋼箱對(duì)混凝土套箍效應(yīng)的影響，上室內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而更好地發(fā)揮混凝土的抗壓性能，提高梁構(gòu)件的承載能力。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼箱-混凝土組合梁構(gòu)件進(jìn)行了大量的研究，主要有鄭文忠、謝恒燕對(duì)內(nèi)置鋼箱-混凝土簡(jiǎn)支組合梁受力性能的研究[7]，研究結(jié)果表明此類梁構(gòu)件可通過(guò)引入折減系數(shù)的方法來(lái)考慮正截面受彎承載力計(jì)算，同時(shí)提出裂縫寬度與剛度計(jì)算公式；莫時(shí)旭、舒小娟等對(duì)部分充填式鋼箱-混凝土組合梁承載能力、剛度和變形性能進(jìn)行了研究[8-12]，研究結(jié)果表明鋼箱與混凝土能夠良好地共同工作，受力過(guò)程基本滿足平截面假定，提出了此類組合梁構(gòu)件正截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論。然而，對(duì)于部分中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件的研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，目前我國(guó)尚缺少針對(duì)此類組合梁構(gòu)件的相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程，因此對(duì)部分中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件承載性能的研究與分析是十分必要的。

圖 1 新型部分中空鋼箱-混凝土組合梁仿真模擬模型結(jié)構(gòu)圖

為了進(jìn)一步探討部分中空鋼箱-混凝土梁的受力性能，采用數(shù)值分析的方法建立上述4根部分中空仿真模擬梁構(gòu)件和2根全部中空仿真模擬梁構(gòu)件的三維仿真模型，對(duì)部分中空鋼箱-混凝土梁受彎承載能力進(jìn)行研究，探討部分中空鋼箱-混凝土梁彎曲性能和變形規(guī)律，為新型部分中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)梁參數(shù)設(shè)計(jì)與模型分析

2.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)6根鋼箱-混凝土組合梁試件其中4個(gè)部分中空鋼箱-混凝土組合梁構(gòu)件和2個(gè)全部中空鋼箱-混凝土組合梁，采用C30混凝土，縱向鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑為20 mm。箍筋采用HPB300級(jí)，直徑為10 mm。試件截面尺寸均為×=300 mm×600 mm，縱筋保護(hù)層厚度均為30 mm。為保證試件梁的彎曲破壞，剪跨段進(jìn)行箍筋加密。用同等強(qiáng)度的鋼板作為水平隔板，將鋼箱分為上下雙室，上部箱室用同等強(qiáng)度的混凝土填充，梁體支座附近全截面填充同等強(qiáng)度的混凝土，以提高梁的抗剪和局部承壓能力，截面配筋及參數(shù)如圖2所示，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖 2 試件配筋與截面（單位：mm）

表 1 試件參數(shù)

注：1. PHSCB: Partially hollow steel box concrete beam; EHSCB: Entire hollow steel box concrete beam；2. 型鋼含鋼量=A/0。

Note: 1. The meaning of PHSCB is partially hollow steel box concrete beam; The meaning of EHSCB is entire hollow steel box concrete beam. 2. Steel content of section steel:.=A/0.

2.2 混凝土本構(gòu)關(guān)系模型

此模型能夠有效地反映鋼箱對(duì)混凝土的約束作用，模型適用范圍廣。對(duì)于鋼箱外圍“非核心”區(qū)混凝土采用聶建國(guó)教授提出的本構(gòu)關(guān)系模型[15]。

2.3 仿真模擬梁數(shù)值模型的建立

采用數(shù)值分析軟件ABAQUS對(duì)仿真模擬梁模型進(jìn)行非線性分析。分析計(jì)算時(shí)，混凝土與鋼筋采用不同的單元類型，混凝土采用C3D8R六面體減縮單元，縱筋和箍筋采用T3D2桁架單元。鋼材采用滿足Von Mises屈服準(zhǔn)則的等向彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷模型。

數(shù)值分析時(shí)網(wǎng)格劃分的疏密程度對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性影響很大，綜合計(jì)算成本與分析精度兩方面因素，考慮如圖3（a）中所示的網(wǎng)格劃分方案，所建模型透視圖如圖3（b）中所示。

圖 3 有限元模型網(wǎng)格圖與透視圖

3 數(shù)值仿真模型所得結(jié)果與分析

3.1 純彎段中性軸應(yīng)變變化規(guī)律與撓度特征分析

圖4為PHSCB-2梁構(gòu)件在6個(gè)不同荷載情況下沿梁高應(yīng)變分布圖，圖中每一條曲線代表著不同荷載下沿梁高應(yīng)變分布。當(dāng)荷載小于300kN時(shí)，應(yīng)變沿梁高分布規(guī)律符合平截面假定，隨著荷載的增加，沿梁高度的應(yīng)變分布規(guī)律與平截面假定開(kāi)始出現(xiàn)偏差，當(dāng)荷載達(dá)到600 kN時(shí)，沿梁高應(yīng)變分布偏差較大，但總體而言，應(yīng)力-應(yīng)變分布規(guī)律基本上仍符合平截面假定。

圖4 PHSCB-2跨中沿梁高應(yīng)變分布圖

圖5 模擬梁荷載-位移關(guān)系曲線

Fig.5 Curves of the load and displacement relation of the simulated beam

3.2 數(shù)值仿真模擬結(jié)果與對(duì)比

圖5為所得4根新型部分中空鋼箱-混凝土組合梁與2根全部中空鋼箱-混凝土組合梁構(gòu)件荷載-撓度曲線。根據(jù)圖5并結(jié)合表2中所得仿真模擬梁構(gòu)件分析結(jié)果可以看出，隨著荷載的增加，新型部分中空鋼箱-混凝土組合梁承載能力稍有下降后又緩慢上升，直至達(dá)到極限承載能力。分析原因主要是由于鋼箱外圍混凝土達(dá)到極限承載力后其承載能力下降，而上部箱室內(nèi)混凝土由于鋼箱對(duì)填充混凝土套箍效應(yīng)的影響，極限抗壓強(qiáng)度提高，鋼箱外部混凝土與上室內(nèi)混凝土發(fā)生應(yīng)力重分布后仍可繼續(xù)承載，直至上部箱室內(nèi)混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度。

新型部分中空鋼箱-混凝土梁與全部中空鋼箱-混凝土梁的荷載-撓度曲線如圖5中所示。由圖5可知，在鋼箱上室內(nèi)填充混凝土后，構(gòu)件承載能力、剛度和延性性能都得到了明顯的提升，由于上部箱室對(duì)混凝土套箍效應(yīng)，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，混凝土抗壓性能提高顯著，構(gòu)件承載力增強(qiáng)。由表2可知，部分中空鋼箱-混凝土組合梁比全部中空鋼箱-混凝土組合梁極限承載能力提高31.69%；相對(duì)全部中空鋼箱-混凝土梁，新型部分中空鋼箱-混凝土梁達(dá)到極限承載力后，彎矩-撓度曲線有較好的平緩區(qū)段，表現(xiàn)出良好的延性性能。采用Q460高強(qiáng)鋼箱比Q345普通鋼箱所做構(gòu)件承載能力提高28.2%，因此在同等承載力條件下，采用高強(qiáng)鋼能夠明顯地提高構(gòu)件承載能力，減小截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重的效果。

表 2 模擬梁數(shù)值分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)ABAQUS分析平臺(tái)對(duì)新型部分中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行仿真模擬分析，在此基礎(chǔ)上與全部中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

（1）新型部分中空鋼箱-混凝土梁構(gòu)件加載過(guò)程中，梁變形基本符合平截面假定，工程應(yīng)用新型部分中空鋼箱-混凝土梁時(shí)可按梁基本理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）新型部分中空鋼箱-混凝土梁加載過(guò)程中，由于上部箱室型鋼對(duì)填充混凝土套箍效應(yīng)的影響，使得內(nèi)部填充的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，強(qiáng)度提高，彎矩-撓度曲線有較好的平緩區(qū)段，表現(xiàn)出良好的延性性能；

（3）在其它參數(shù)相同條件下，新型部分中空鋼箱-混凝土梁與全部中空鋼箱-混凝土梁進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：新型部分中空鋼箱-混凝土梁承載能力、剛度和延性性能都得到了明顯的提升，其中承載能力提高31.69%；采用Q460高強(qiáng)鋼箱與Q345普通鋼箱所做構(gòu)件承載能力提高28.2%。

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Numerical Analysis of Bearing Capacity of the Internal Partial Hollow Steel Box -Concrete Composite Beam

LI Shi-ping, WANG Jun

150040,

In view of some defects that a traditional internal box - concrete composite beam does not enough play a fole and increase by self-weight, this paper designed a new type internal partial hollow steel box - concrete beam to analyze the stress process,bearing capacity and deformation performance based on the nonlinearity of the bending performances of 6 new typeinternal steel box-concrete composite beams. The results showed that this kind of newtype internal hollow steel box - concrete composite beam could respectively present every performance and had good bearing and deformation resistance performances. The bearing capacity of the normal section could be designedbased on the assumption of plane section, which could give a base for project execution, at the same time give a reference for more extensive application in large scale stress steel - concrete composite beam.

Internal partial built-in hollow steel box - concrete beam; bearing capacity; stiffness; numerical analysis

TU378.2;TU398

A

1000-2324(2018)06-1032-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.025

2018-03-20

2018-05-29

黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(LBH-Q15011)

李世平(1989-),男,碩士研究生,主要從事預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件、組合結(jié)構(gòu)研究. E-mail:spl_ping@163.com