基于材料强度的钢-混组合梁力学差异性研究

基于材料强度的钢 -混组合梁力学差异性研究

余潇 1，王四戌 1

1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081

摘要：钢-混凝土组合梁充分发挥了钢材与混凝土的材料特性，能较为充分的体现材料的优势，以往针对钢-混凝土组合梁的研究，主要集中于单一的力学性能，而缺少对多种材料强度下结构性能的差异性分析，本文基于不同的钢材强度与混凝土强度，运用ANSYS进行有限元分析，探究同等形式组合梁结构性能的差异性。研究发现，提高混凝土强度与钢材强度能提高结构的屈服荷载与极限荷载，且会改变结构的延性，通过研究能进一步促进高强材料在组合结构中的应用。

关键词：组合梁；材料强度；屈服荷载；极限荷载

0 前言

钢-混凝土组合梁是近些年的新型结构，该结构能有效发挥钢材与混凝土各自的材料性能，相较于传统的钢结构与混凝土结构，具有明显的性能优势[1]，广受结构设计者的青睐，现已被运用于较多的工程建设中。钢-混凝土组合结构的不断创新，也是未来结构高性能化发展的方向之一[2]。

随着工程材料的进步与发展，越来越多的高性能材料被运用于工程结构中，少量学者开展过不同混凝土强度与钢材强度对组合梁性能的影响[3][4]，但研究的材料强度较为单一，现开展基于多个材料强度等级的钢-混凝土组合梁差异性研究，进一步促进高性能材料在钢-混凝土组合梁中的应用。

1 有限元模型

1.1 单元选择

本文采用ANSYS进行有限元分析，混凝土均选择SOLID65单元，钢梁采用SHELL181单元。

1.2 网格划分

本文数值模拟均采用命令流的方式，钢梁建立面，采用映射网格划分成四边形单元；混凝土建立体，采用扫掠网格划分成六面体单元，单元尺寸均为50mm，网格划分如图1所示。此文研究不考虑钢与混凝土之间的滑移，采用节点耦合的方式进行处理，混凝土与钢梁上翼缘面在相同的位置进行划分，便于节点耦合操作，研究对象为简支梁，不考虑混凝土内钢筋。

图1 网格划分图

1.3 边界约束

本文研究针对简支梁，一端约束UX、UY、UZ、ROTX、ROTY，另一端约束UY、UZ、ROTX、ROTY，为了提高模型计算的精确性与收敛性，选择在模型侧向施加侧向约束。

1.4 荷载

本章研究的加载方式采用左右两点对称加载，加载如图2所示。

图2 两点对称加载图

1.5 材料参数

本章研究的混凝土强度主要有C50、C80、C90、C120，其中C80为高强混凝土，C90与C120属于超高性能混凝土的范畴，材料强度参数如表1所示[5]。

本章研究的钢材强度主要有Q235、Q345、Q390、Q420，材料强度参数如表2所示[6]。

其中，混凝土采用Hognestad规定的本构关系，采用多线性等向强化模型MISO。钢材采用理想弹塑性本构关系，采用双线性等向强化模型BISO。

2 弹塑性分析

本节主要针对于同截面组合梁的研究，组合梁的塑性中和轴有位于钢梁截面内和混凝土截面内两种情况，此节不进行塑性中和轴位于混凝土情况下的讨论，仅考虑塑性中和轴位于钢梁内的情况。

2.1 变混凝土强度的结构弹塑性分析

本小节研究的混凝土强度等级为C50、C80、C90、C120四个强度等级，钢材采用Q345。当改变混凝土强度进行研究时，为了保证组合梁在四种混凝土强度下的塑性中和轴都位于钢梁内，针对纵向跨径为4m的特定截面进行研究。

建立有限元模型，改变混凝土材料进行结构分析，直至结构分析不收敛，在时间历程后处理中提取数据，绘制出C50～C120的荷载-跨中挠度曲线图如图3所示，且结构屈服荷载（钢梁屈服时刻的荷载）与极限荷载的变化规律如图4所示。

（1）弹性阶段

从荷载位移曲线可以发现，C50～C120在屈服前都大致呈直线发展，结构处于弹性阶段，混凝土强度等级提高，塑性中和轴上移（但始终保持在钢梁截面内），结构的屈服荷载变化不大，几乎稳定在380kN附近，但由于混凝土强度的提升导致弹性模量的增大，因此结构的弹性刚度是有一定增大的，因此结构在屈服时的跨中位移逐渐减小，从C50的14.8mm下降到C120的11.3mm.

（2）弹塑性阶段

屈服后弹塑性及塑性阶段，结构经过非线性的弹塑性发展过程后，可以发现，当混凝土强度越低，结构的极限荷载越低，极限荷载随着混凝土强度的增大而略微增大，但增大速度逐渐减弱。

（3）破坏阶段

当结构达到各自的极限荷载后，跨中挠度不断增大，分析不收敛。

屈强比是指材料的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，屈强比太高则结构为脆性破坏，脆性破坏在土木里是严禁的。这里通过结构屈强比可以看出混凝土强度越高，结构的延性越好，因此增大混凝土强度等级，可以提高结构的延性。

2.2 变钢梁强度的结构弹塑性分析

本小节研究的钢材强度等级为Q235、Q345、Q390、Q420四个强度等级，混凝土采用C90。当改变钢材强度进行研究时，为了保证组合梁在四种钢材强度下的塑性中和轴都位于钢梁内，针对纵向跨径为4m的特定截面进行研究。

绘制出Q235～Q420的荷载-跨中挠度曲线图如图5所示，且结构屈服荷载与极限荷载的变化规律如图6所示。

（1）弹性阶段

从荷载位移曲线可以发现，Q235～Q420在屈服前都大致呈直线发展，结构处于弹性阶段，钢材的弹性模量没有发生变化，图像在弹性阶段完全重合，但钢梁强度越高，钢梁进入屈服时的荷载值就越高，结构屈服荷载随着钢梁强度线性变化，当钢材由Q235变到Q420时，屈服强度提高率为76.7%，高钢材强度下的跨中挠度也越大，由Q235的8mm增大到Q420的14.5mm。

（2）弹塑性阶段

屈服后弹塑性及塑性阶段，结构经过非线性的弹塑性发展过程后，可以发现，当钢梁强度越高，结构的极限荷载越高，极限荷载随着钢材强度随着钢梁强度线性变化，当钢材由Q235变到Q420时，极限强度提高率为72%。

（3）破坏阶段

当结构达到各自的极限荷载后，跨中挠度不断增大，分析不收敛。

由表4可以看出，钢材强度对结构屈强比影响较小，钢材强度越高，结构的延性稍差一些。

3 结论

当组合梁截面相同，且塑性中和轴始终位于钢梁截面内时，通过对不同混凝土强度与钢材强度下组合梁结构的分析，得出以下结论：

（1）提高混凝土强度后，结构的弹性刚度略有增大，结构的屈服强度略有提高，极限荷载也随着混凝土强度的增加而增大，增大趋势逐渐变缓。

（2）提高钢材强度后，结构的弹性刚度在前期相同，但结构的屈服强度与极限荷载随着钢材强度的提高有较大幅度的增大。

（3）高混凝土强度与低钢材强度时的结构延性较好。

4 参考文献

[1]聂建国. 钢－混凝土组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]聂建国.我国结构工程的未来——高性能结构工程[J].土木工程学报,2016,49(09):1-8.

[3]吴礼华,高日,史铁花.高性能钢-高强混凝土组合梁抗弯承载力研究[J].工程抗震与加固改造,2010,32(04):47-51+74.

[4]杨哲光,韩家辉.高强工字型钢-混凝土组合梁抗弯承载力分析[J].钢结构,2013,28(10):1-5.

[5]混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[6]JTGD64-2015公路钢结构桥梁设计规范[M]. 人民交通出版社, 2015.