钢-混凝土组合梁结构试验研究与有限元分析.pdf
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1、第 4 6卷 第 8期 2 0 1 5 年 4 月 人 民 长 江 Ya h 【 g t z e Ri v e r Vo 1 4 6 No 8 Ap r ,2 01 5 文章 编 号 : 1 0 0 14 1 7 9 ( 2 0 1 5) 0 80 0 5 00 6 钢 一混凝土组合梁结构试验研究与有限元分析 胡 少 伟 , 喻 江 2 ( 1 南京水利科 学研 究院 材 料结构研 究所 , 江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ; 2 河海大学 土木与交通学院 , 江 苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘 要 : 双箱钢一 混凝土组合梁结构是一种新型 钢一 混凝 土组合 结构 , 具有较好
2、 的应 用前 景。 为研 究该种 组合 梁 的结构性能 , 并分析其 强度和 刚度 的主要影响 因素 , 设计 了两根 组合 梁模 型进行试验研 究。通过测试 其跨 中 截面应变、 纵 向挠度 、 承栽能力等参量来分 析该组合 梁 的荷 载应 变曲线 、 荷载挠 度 曲线等。借 助 有限元 软件 A N S Y S建 立了组合 梁的三 维空间有 限元模 型, 考虑材料非线性 , 对 该组合 梁模型进行 了有限元分析 。分析结 果与试验结果的比较分析表明 , 两者吻合 良好 , 表明该研究对工程应用具有一定的指导作用和参考价值。 关键词 : 双箱组合 梁;试验研究 ; 有 限元模拟 ;对比分析
3、中 图 法 分 类 号 :T V3 3 5 文 献 标 志 码 :A DOI : 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 141 7 9 2 0 1 5 0 8 0 1 3 钢- 混凝土组合结构经过近 1 0 0 a的研究和发展 , 因其具有 良好的受力性能 已广泛应用 于交通工程、 桥 梁工程 、 高层建筑工程等领域 。钢箱 混凝土组合梁是 在钢管 混凝 土 和钢 箱梁 基础 上 发展 起来 的新 型结 构 。韦芳芳等通过试验研究及有限元分析法对部 分剪力连接的钢一 混凝土组合梁进行了研究 。文献 4 借助有限元软件 A N S Y S对预应力高强 钢 混凝 土 组合 梁
4、进 行 了有 限元 分 析 , 并 得 出通 过 有 限 元 法可 以 代替部分试验研究 的结论。杨洋等利用 A N S Y S软件 建立 了钢 混凝土有限元组合梁模型 , 并对其进行 了 材料非线性分析。莫时旭等对单箱钢 混凝 土组合梁 结 构 的受力性 能 进行 了有 限元 分 析 , 主要 探 讨 了 强 度 、 刚度对其受力的影响。E 1 L o b o d y 等采用有 限元 法 对钢- 混凝土组合箱梁进行 了模拟分析与研究 。文 献 8 通过建立三维实体单元 , 对考虑滑移效应 的钢 混凝土组合箱梁进行了有限元计算分析。 目前 , 上述研究主要对“ I ” 型截面组合梁、 单箱型
5、组 合梁 进行 了有 限元 模 拟 分 析 和试 验 研 究 , 本 文 在 国 内外学者研究的基础上 , 提出了一种新型的双箱钢- 混 凝土组合梁结构。通过开展试验研究 , 测试其应变、 纵 向挠度 、 承载能力等参量 , 进而分析该组合梁结构的荷 载 应变曲线 、 荷载 挠 度曲线等力学性能指标。并 借 助商业软件 A N S Y S 1 3 0来模拟组合梁 的受力过程 , 最后对试验测试结果和有限元模拟加以对 比分析。 1 试验概况 1 1 模 型梁设计及制作 为了深人探究双箱钢。 混凝土组合梁结构 的力学 性能 指标 , 本次 试验 共设计 了 2根模 型梁试 件 , 编号 分 别 为
6、 C B 一 6 2 、 C B - 6 3 。商 品高 强混凝 土 ( 标 号 C 6 0 ) 被 选 作为模 型梁 混凝 土翼 板 , 翼 板 内布 置 箍 筋 和纵 向钢 筋 作 为 构 造 钢 筋。其 中, 纵 筋 采 用 热 轧 光 圆 钢 筋 ( H P B 2 3 5 c D l O ) , 箍 筋 采 用 热 轧 圆 盘 条 ( H P B 2 3 5 c D 8 2 0 0 ) 。双箱钢 梁选 用 Q 2 3 5 一 B板材 , 其 厚度 均 为 1 0 m i ll , 通 过 焊 接 制 作 成 上 端 开 口 的 双 箱 型 钢 梁 。中1 5 m m9 5 mm的 帽
7、型 栓 钉 被 用作 为 剪 力 连 接 件 。根 据 设计计算 , 采用完全剪力连接形式 , 相邻焊钉 间距 1 6 7 m m 一1 2 1 。模 型梁 尺 寸 及 构 造 细 节 详 见 图 1 。 双箱 组 合 梁试件 加工 制作 过程 如 图 2所示 。 1 2试验装置及测点布置 根据简支组合梁结构的几何特点和受力特性 , 取 一 半进行 研究 。试 验加 载装 置如 图 3所 示 , 图 3 ( a ) 为 模型梁试件 C B 6 2跨 中加载装置实物图, 图 3 ( b ) 为模 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 9 0 6 基金项 目: 国家杰出青年基金 ( 5 1 3 2
8、5 9 0 4 ) ; 国家 自然科 学基金 ( 5 1 2 7 9 1 l 1 ) 作者简介 : 胡少伟 , 男, 教授 , 博士生导师 , 主要从 事水工结构方面的研 究。Em a i l : h u s h a o w e i n h r i c o rn 5 2 人 民 长 江 2 01 5丘 表 1材料几何参数 m m 试件 抗压弹性模量 抗拉弹性模量立方体抗压强度 抗拉强度 编号 材料 E (1 0 3 ) E (l 0 ) 5 。 弹性模量 屈服应变 屈服强度 极限强度 名称 类型 钢材材料 E 。 ( 1 0 3 ) M P a 8 f M P A M P a 1 4 加载方案
9、 用油压伺服机控制千斤顶对试件进行加载, 模型 梁 C B - 6 2采 用 单个 千 斤 顶 ( 量 程 01 0 0 0 k N) 于 跨 中 分级 加载 , 而模 型梁 C B - 6 3则 采 用 两 个等 量 程 千 斤 顶 ( 量程 01 0 0 0 k N) 同时进 行 对 称 加 载 。加 载 过 程 通 过计算机系统加 以控制 , 采用 D H 3 8 1 6静态测试系统 采集测点数据 , 而荷载数据则运用伺服液压计算机控 制 系统进 行读数 记 录 。 2 试验结果分析与计算 2 1 应变特征分析 2 1 1 翼板顶 面应 变分布 不 同荷载 作用 下混凝 土翼 板顶 面跨
10、 中截 面处应 变 沿板宽度方向分布如 图 5所示 。试验测试表 明, 在加 载初 期 , 应 变 沿板 宽度 方 向 分 布 均 匀 , 随 着 荷 载 的 增 加 , 应变 沿板 宽度 方 向分 布 开始紊 乱 , 表 现 出翼板 边缘 应 变小 、 中 间应 变 大 的特 性 , 剪滞效 应现 象发 生在 混凝 土翼 板上 表 面 。通 过 测试 可知 , 模 型梁 C B 一 6 2最 大 压 应 变达 到 3 7 2 3 , 而 边 缘 压 应 变 为 3 0 7 5 , 偏 小 2 1 0 7 ; 模 型 梁 C B 6 3最 大压 应 变 达 到 2 8 2 9 , 边 缘压 应
11、变 为 2 5 2 1 8 , 偏小 1 2 2 1 。 2 1 2 钢 梁底板 应变分布 不同荷载作用下钢梁底板跨中截面处应变沿板宽 度方向分布如图6所示。通过对图6 ( a ) 和( b ) 的分析 可知 , 在加 载初期 , 跨 中截面 处钢 梁底 板 中心与 钢梁底 板边缘应变变化趋势及应变值基本保持一致 , 随着外 荷 载 的增 大 , 混凝 土 翼板 开 裂 , 以及钢 梁材 料 屈服 , 应 : r 二 舶g u25 0 0 一 卜 n q 。 删o o 。 。_ 舶M u 髫 s o o 一 一二 : : ; 讹M u t 1 _ +0 8 M u 一 1 0 0 0 二 0
12、9 M u _ 5 ( ) 0# 一 _ _ _ _ 三 j 一 舶 一 。 。 : : : : 三 ; : j j 耋 : :三 “ 一 一 一= : oo 2 ou 30U 400 bOU bUU 1 00 距 中心距离 rm ( b ) 试件C B 6 3 ( M u = 5 5 0 k N m ) 图 5混 凝 土 翼 板 顶 面 应 变 分 布 变变化逐渐紊乱 , 表现出中间大边缘 小的特点。当试 件破 坏 时 , C B 一 6 2和 C B 一 6 3拉 应 变 分 别 达 到 1 6 7 8 6 1 0 , 1 4 3 5 31 0 8 ; 边 缘 拉 应 变 分 别 达 到
13、l 1 3 0 7 x 1 0 , 1 0 78 31 0 8。 l 8 l 5 1 2 9 制 6 3 。 l 8 】 5 l 2 2 9 。 3 0 底板 中心 底板边缘 ( a )试件c B 6 2 ( g o = 5 9 4 k N m ) 底板中心 底板 边缘 ( b )试件C B - 6 3 ( M u = 5 5 0 k N m ) 图 6 组合梁钢梁底板应变分布 模 型梁 试 件 C B - 6 2和 C B 一 6 3在 开裂 弯 矩 ( ) 、 屈服弯矩 ( M ) 、 极限弯矩 ( M ) 时跨 中截面处组合梁 应变分布分别如表 4和表 5所示。 第 8期 胡少伟 , 等
14、: 钢 一混凝土 组合 梁结构试验研究与有 限元分析 5 3 2 1 3 截 面 高度应 变分布 图 7为试件跨 中截面处应变沿梁高度方 向分布 曲 线 。从 图 7 ( a ) 和 ( b ) 中可 看 出 , 2根 模 型 梁 跨 中截 面 处应 变 沿梁 高度 方 向分 布规 律基本 一 致 。在混 凝 土翼 板 开 裂前 , 翼 板应 变 和钢 梁应 变保 持很 好 的线性 关 系 , 满足平截面假定 。随着荷载 的继续增加 , 裂缝不断延 伸, 钢梁逐渐屈服, 混凝土翼板应变与钢梁应变分布越 来越 不均匀 , 呈 现出 明显 的非线性关 系 , 直到试 件破坏 。 1 4 0 0 0
15、 1 2 0 0 0 1 0 0 00 8 0 0 0 三 6 o 0 o 4 0 0 O 2 0 0 0 O 一 2 0 0 0 一 0 L Mu 一 0 2 Mu 一 0 3 Mu 1 0 4 l f f u 0 5 Mu 。 10 6 舶 一 0 7 Mu 一 0 8 Mu 0 9 Mu 一I _ 0 Mu r 1 5 0 1 0 0 5 O 0 5 0 1 0 O l 5 0 2 0 0 截 面高度 m m ( a )试件c B 6 2 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 o 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1
16、 M u 。 O 2 M u 一 0 3 Mu 。 _ 1 0 4 Mu 0 5 Mu 0 6 Mu 一 0 7; fl u 。 0 8 Mu 0 9 M u 一 1 0 Mu 1 5 0 1 0 O 5 O 0 5 0 1 0 O l 5 0 2 0 0 截 面高度 Il I I ( b ) 试件一 6 3 图 7组合梁跨 中截面边缘 应变分布 2 2挠 度特征分析 不同荷载作用下挠度沿组合梁纵 向分布如图 8所 示 。在 加 载初 期 (M 0 5 Mu 时, 混凝土翼板开裂 , 裂缝逐渐延伸 , 挠度变化速率加 快 , 进 一步 证 明 了挠 度受 钢 材 屈 服 的 影 响 的特 性
17、。 当 试件破坏时, 模型梁 C B 一 6 2和 C B 一 6 3最大挠度分别 达 到 5 3 1 2 c m 和 8 4 3 6 c m。 0 r 螽 2 0 4 0 50 - 2 5 0 。 r I l 2 0 晏 40 8 0 l 1 0 0 L 0 5 ( 3 0 : t O 0 0 l 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 距中心 距离 , am ( a )试件c B 6 2 ( M u = 5 9 4 k N m ) 2 5 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 距中 心距 离 m m ( b )试件c B 一 6 3 ( M
18、 u = 5 5 0 k N Il1) 图 8组合梁挠度分布 3 有限元数值模拟 利 用有 限元 法可 以对 结 构 进行 分 析 , 本 次 研 究 采 用 A N S Y S软件对双箱钢- 混凝土组合梁模型进行三维 有 限元非 线性 分 析 。 3 1 模型 的建 立 3 1 1 单元 选择 本 次 计 算 模 型 中 双 箱 钢 梁 采 用 S h e l l 1 8 1板 壳 单 5 4 人 民 长 江 元 , 混凝土翼板则采用可以模拟开裂的 S o l i d 6 5实体单 元 , 帽形栓钉采用 C o m b i n l 4弹簧单元。在模拟分析过 程中, 为了防止模型梁在支座截面处
19、 和加载截面发生 局部屈 曲, 增加加载板及加劲肋 , 均采用 S o l i d 1 8 5实体 单 元 。 3 1 2 钢 材 本 构 关 系及 破 坏 准 则 在本次研究 中, 钢材采用如下应力- 应变关系 : 钢 材受 压时 , 不考 虑其 进入 强 化 阶段 ; 当钢 材受 拉 时 , 由 于其具有很好的延性 , 故而考虑其进入强化阶段 , 依照 试验参数 , 采 用有强化 阶段 的应力一 应变关 系。根据 钢结 构 设 计 规 范 , 线 弹 性 阶 段 弹 性 模 量 E s=2 0 6 G P a , 强化阶段弹性模量 E s = 2 1 7 0 5 G P a , 所得应力一
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- 混凝土 组合 结构 试验 研究 有限元分析
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