钢-混凝土组合梁抗弯模型试验及数值分析.pdf

4 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 2 — 0 0 0 4 — 0 4 钢一 混凝土组合梁抗弯模型试验及数值分析 牛慧敏 ( 中铁 十二局集 团有 限公 司 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要： 钢一混凝土组合结构桥 梁在铁路 工程领域具有广阔的应用前景， 钢一 混凝土组合梁 中的栓钉连接 件对其抗弯能力有着重要的影响。本文借助栓钉的剪力一滑移关系曲线考虑 了栓钉的剪切滑移效应， 利用 A B A Q U S有限元分析软件对两个钢一混凝土组合模型试验 梁进行 了非线性分析 ， 并将数值分析结 果和试验测试结果进行 了对比， 为进一步利用 A B A Q U S对钢一混凝土组合梁进行有限元分析提供 了参考。 关键词： 钢一混凝土组合梁A B A Q U S数值分析抗 弯模型试验剪切滑移 中 图分类 号 ： U 4 4 8 ． 2 1 6 ； T U 3 1 2 ． 1 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 1 9 9 5 ． 2 0 1 3 ． 1 2 ． O 2 钢一混凝土组合结构具有结构经济合理 、 耐久可 靠、 刚度大、 承载性能和抗震性能好 、 自重轻 、 施工方便 以及噪声小等诸多优点 ， 已被广泛地应用在大跨结构 、 高耸结构 、 多层及高层房屋 、 桥梁结构 以及结 构改造 、 加固等领域。 目前 国外高速铁路 已经大量地采用这种 结构形式， 我国铁路桥梁建设 中也在越来越多地采用 组合结构体系。 钢一混组合结构的应用始于上世纪 2 0年代 ， 我 国 是从上世纪 5 0年代开始开展对组合梁的研究 和应用 的。在设计理论方面 ， 在 6 0年代以前 ， 对组合梁 的分 析基本处在 弹性理论分析阶段 ； 6 0年代 以后 ， 伴 随着 有 限元理论 的广泛应用和计算机技术的快速发展 ， 对 组合梁的塑性理论分析才慢慢普遍起来⋯ 。 在钢梁一混凝土翼板组合梁 ( 以下称钢一混组合 梁) 中 ， 由于钢材和混凝土翼板之 间的剪力连接件在 受力时会发生剪切变形 ， 进而会导致组合梁 的刚度减 小 、 抗弯承载能力降低。因此在对组合梁抗弯承载能 力 等力学 指 标分 析时 ， 需要 准确 考虑 到界 面相对 滑移 。 A B A Q U S是 一款功能强 大的工程模拟有 限元 软 件 ， 拥有 出色 的非线 性分 析能力 。为 了更好 地研 究 钢 一混 组 合 梁 的抗 弯 承 载 能 力 ， 本 文 在 引 入 栓 钉 剪 力一滑移关系 曲线考虑栓钉剪切滑移的基础上 ， 利用 A B A Q U S软件对一组钢一混组合梁模型试验梁进行了 建模分析 ， 并将分析结果和试验实测结果进行对 比， 分 析探讨 了两者 之 间误 差产 生 的原 因， 为进 一 步利用 A B A Q U S对钢一混组合梁进行有限元分析提供了参考。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 — 1 9； 修回 日期 ： 2 0 1 3 - 0 8 — 2 8 基金项目： 国家 自然科学基金青年基金项 目( 5 1 1 0 8 0 2 3 ) 作 者简介 ： 牛慧敏( 1 9 6 8 一 ) ， 女 ， 山东滕州人 ， 高级工程师。 1 钢一 混凝土组合梁模型试验 1 ． 1试验 概况 试件长 5 ． 2 m， 两端支撑线间距离为 5 ． 0 m。梁和 混凝土板之间按照完全抗剪连接设计 ， 采用两列 1 9 栓钉 ， 纵 向间距 8 0 mm布置。混凝土板内布置 的纵向 钢筋 、 横 向钢筋直径均为 1 2 mm， 间距为 1 2 0 m m， 截面 具体尺寸见图 1 。 图 1组 合 梁 横 断 面不 恿 ( 单 位 ： mm) 1 ． 2 加 载方 式及 指标测 算 方法 对两 个 配 置 相 同 的 钢一混 凝 土 组 合 梁 试 件 S C C B 1和 S C C B 2进行静载试验 ， 示意 图分别见图 2和 图 3 。逐渐加大荷载 ， 直至构件不能再继续承受荷载 为止。跨中弯矩根据实测千斤顶的力 ， 按照力矩分配法 换算得到 ， 跨中位移按照实测跨 中截面竖向位移得到。 图 2 S C C B 1梁加载试 验简图( 单位 ： m) 2 0 1 3年第 1 2期 牛 慧敏 ： 钢一混凝 土组合梁抗弯模型试验及数 值分析 5 图 3 S C C B 2梁加载试 验简图( 单位 ： m) 1 ． 3试件 的材料 力学 性能 钢一混凝土组合梁模型试件中采用 的钢材和混凝 土的力学性能分别见表 1和表 2 。 表 1钢材 力学性能 梁编号龄 ／ “ P ／ a M ∥ P a(l E o／ P a ) 2 A B AQUS数值分析模型 2 ． 1 本构 模 型 1 ) 栓钉 本构 ： 栓钉 连接 件滑 移一剪力 规律 的研 究 。 ， 普遍采用推 出试验 的方 法来 获得连接件 的剪 力一滑移关系。本文模型中的栓钉采用非线性弹簧单 元来模拟， 栓钉 的滑移一剪力本构方程 如公 式 ( 1 ) ] 所示 。公 式 ( 1 ) 中栓钉 的抗 剪 承载 力见 公式 ( 4 ) ， 即 取 自公式( 2 ) 与公式( 3 ) 的最小值 。 V = V ( 1一e ) ( 1 ) 式 中 ， s 为栓钉 的相 对 滑 移量 ， 为 弹 簧 的极 限 承 载 力 ， 由公 式 ( 4 ) 确 定 。 N c=0 ． 4 3 A √E ≤0 ． 7 A ( 2 ) Q = 1 ． 1 0 6 A E ( 3 ) V =mi n ( Ⅳ ， Q ) ( 4 ) 式 中 ： A 为 圆柱 头 栓钉 钉杆 截 面 面积 ； E 为混 凝 土 的 弹性模量 ； 为混凝土抗压强度设计值 ； 为栓钉材料 抗拉强度最小值 与屈服 强度之 比； f为 圆柱头栓钉抗 拉强度设计值。 根据公式( 1 ) 绘制 的栓钉连接件 的本构关 系曲线 如 图 4所 示 。 2 ) 混凝土本 构 ： 混凝 土受压应 力应变 曲线 采用 H o g n e s t a d 。 。 提出 的理论 公式 ， 即上升段 为二 次抛物 线 ， 下降段为斜直线 ， 峰值应变 取 0 ． 0 0 2 0 ， 极 限压 图 4 栓钉滑移一剪力 曲线 应 变 s 取 0 ． 0 0 3 8 ， 曲线方 程见公 式 ( 5 ) 。 [ 2 ( 毒 ) 一 】 ( 5 ) 占 <8 ≤s 试验属于单调加载 ， 分析过程不考虑混凝土损伤 。 在 A B A Q U S中定义塑性材料参数时 ， 需要将理论公式 算 出的混凝土名义应力 、 应变换算成描述大变形过程 截面变化的真实应力 、 真实塑性应变u 。结合公式( 5 ) 及混凝土名义应力 、 应变的换算关系可以得到混凝土受 压时的真实应力一真实塑性应变关系曲线， 如图5 。 图 5 混 凝土受压真实应力一真实塑性应变关 系曲线 受拉应力应变关系曲线采用公式( 6 ) 表示的分段 式曲线 ， 其中峰值拉应变 s 取 0 ． 0 0 0 1 ， 峰值拉应 力 取 3 ． 5 1 MP a 。 ⋯ 去 2 ( 丢 门 0 < 占 ≤ ． ， ( 6 ) 结合公式 ( 6 ) 及混凝土名义应力、 应变的换算关 系可 以得到混凝土受拉时的真实应力一真实塑性应变 关系曲线 ， 如 图6所示 。 3 ) 钢材本构 ： 钢梁及钢筋的本构模型采用无 刚度 6 铁道建筑 室 趟 林 图 6 混凝 土受拉真实应力一真实塑性应变关系 曲线 退化 的强 化二 折线模 型 。折 线第 一 上 升段 的斜率 ， 为钢筋本身的弹性模量 ； 第二上升段为钢筋强化段 ， 此 时的斜 率根据提 供的材料 指标计算 ， 约 为第一段 的 1 ／ 8 0 。采用这种本构模型既方便 ， 又可以考虑到钢材 的应变能， 并且避免了应力应变关系不唯一而导致的 收 敛 困难 。 2 ． 2建 立模 型 利用 A B A Q U S有限元软件 ， 建立钢一混凝土组合 梁数值分析模型。模型中的混凝土板和工字钢梁均采 用 S 4 R壳单元进行模拟， 混凝土板中布置 的钢筋在定 义混凝土板壳属性时指定 ， 栓钉连接件采用 弹簧单元 模 拟 实现 。 由于栓钉 在混 凝土 板 和工字 梁接 触面 法线 方 向变形很小 ， 因此栓钉在接触法线方 向的弹簧 刚度 值为栓钉横截面面积乘 以其 弹性模量后 除以栓钉原 长 ， 即 ( A E ) ／ l 。 在切面方 向， 则采用 由公式 ( 4 ) 描 述的非线性 的弹簧来模拟 。 求解过程考虑几何非线性和材料非线性 ， 采 用位 移加载模式。考虑到大的应力集中会导致分析难 以收 敛 ， 荷载和梁端部边界均借助刚性壳单元在相应 位置 处和梁作绑定 ， 然后在刚性单元参考点上完成位移荷 载的施加 。对于 S C C B 1梁 ， 由于测得的千斤顶力 以及 跨中的挠度都是要扣除重力后 的结果 ， 所 以不应考虑 重力 ， 对于 S C C B 2梁 ， 则要在加载中考虑重力影 响。 3数值分析 结果和试验 结果的对 比分析 S C C B 1 梁 和 S C C B 2梁 的跨 中挠 度一跨 中 截 面 弯 矩关系的数值分析结果和试验结果的对 比分析如 图 7 和 图 8所 示 。 从图 7和图 8可以看 出， 钢一混组合梁受力过程 大致可以分为弹性阶段和塑性阶段。 在弹性 阶段 ， 各材料都处于弹性受力 阶段 ， 且钢 筋 、 栓钉与混凝土之间没有发生相对粘结滑移 ， 未出现 导致塑性受力的因素 ， 梁的挠度增长较慢 。 在塑性 阶段 ， 钢筋 、 栓钉 、 混凝土部分或全部进入 塑形受力阶段 ， 钢筋 、 栓 钉与混凝土之 间出现粘结滑 移 ， 继而出现各种导致塑形受力 的因素 ， 导致梁的挠度 舍 Z 兰 静 岳 地 图 7 S C C B 1 梁数值分析结果 和实测结果 对比 三 Z 钟 龆 图 8 S C C B 2梁数 值分析结果和实测结果对 比 快速增 长 。 S C C B 1梁跨 中弯矩 的数值分析结果 和实测结果 间最 大相 对误 差 为 1 ． 6 ％ ， 而 S C C B 2梁 的最 大 相对 误 差为 8 ． 2 ％ ( 出现在 梁濒 临破 坏时 ) 。两种结 果 基 本相 符 ， 总的来说所建立 的模型能够对该组试验模型梁的 受力 过程 进行 较为 准确 的模 拟 。 4 结论 从钢一混组合结构 的特性来看 ， 钢一混组合结构 适用于对荷载等级和结构刚度要求较高 、 跨度较大的 高速铁路桥梁。尤其是对跨度要求高 、 梁高又受限的 地区， 组合结构桥梁无疑是较好 的选择形式。通过本 文的计算分析 ， 得到如下几点结论 ： 1 ) A B A Q U S的计 算 结 果 和实 测 结 果 局 部 存 在 一 定偏差 。从材料方面分析 ， 是 由于模型中的有 限元单 元具有均匀 、 各向同性 、 单元间接触形式统一 的特点 ， 这和实际材料性质以及接触形式有较大差别。 2 ) 在加 载后期 ， A B A Q U S计 算 结果 比试 验结 果 大 ， 并且此时的相对误差也较大 ， 原因可能在于数值分 析过程没有考虑混凝 土和钢筋 、 混凝土和栓钉 之间的 粘结滑移 ， 造成计算过程的后期刚度比实际要大。 3 ) 通过半结构 、 全结构的对 比分析发 现， 不能想 当然地就取半结构进行分析。能否利用对称性来取半 结构进行简化计算 ， 还要看挠跨 比的大小。当挠跨 比 较大时 ， 梁 的轴 向变形不 能忽略 ， 梁 的受力形式也 就 不 同 。 2 0 1 3年 第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 7 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 2 — 0 0 0 7 — 0 3 公 铁 两用桥移 动模 架形式优选 王春 明 ， 谢 宝琏 ( 中铁七局集 团有 限公 司 ， 河南 郑州4 5 0 0 1 6 ) 摘要 ： 根 据 京广客 专 郑 州黄 河公铁 两 用桥 桥 墩 形 式 多样 ， 线 间距 变化 大 的特 点 ， 对 移动 模 架 的 选 用形 式 进行 了对比分析和变形模拟计算 ， 确保 了施工的安全顺利进行 ， 提 高了功效， 节约 了施工成本。 关键 词 ： 公铁 两 用桥移 动模 架 形 式 选用 中图分 类号 ： U 4 4 5 ． 4 6 3文献 标 识码 ： B D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ． 2 0 1 3 ． 1 2 ． 0 3 1 工程概况 2 移动模架需要适应 的工况 郑州黄河公铁两用桥是京广客运专线跨越黄河 的 控 制 性工 程 。下 部结 构设 计为 摩擦 型钻 孔 桩 。上部 结 构设计 为两 层 ， 下 层 为铁 路 客运 专 线 ， 设 计 时速 为 3 5 0 k m； 上层 为双向六车道 的高速公路 ， 设计 时速为 1 0 0 k m。 施 工 范 围 为 南 岸 S 0 2 7 号 墩 ( C K 6 5 3 + 2 7 6 ． 3 5 4 ) 至 S 0 8 0号 墩 ( C K 6 5 5+4 5 2 ． 6 7 0 )间 ( 见 图 1 ) ， 其中铁路梁( S 0 2 7 --S 0 7 4号 ) 4 7孔 4 0 m跨现浇箱 梁采 用 移动 模架 施 工 。铁 路 箱 梁 总质 量 1 3 5 0 t ， 平 均 每延米3 3 t 。梁体为简支结构 ， 采用移动模架法施工。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 4 - 0 1 ； 修回 日期 ： 2 0 1 3 — 0 8 — 2 6 作者简介 ： 王春 明( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 陕西 宝鸡人 ， 工 程师。 模 架施 工 范 围曲线 半径 R= 7 0 0 0 m ， 该 区域 无 竖 曲线 ， 无纵坡 ， 墩身高度为 1 2 ． 5 8 m和 1 3 ． 0 8 m两种 。 其中铁路梁( S 0 2 7 --S 0 5 6号 ) 共 3 7孔 4 0 m现浇箱梁 ( 支座中心线横向间距 为 6 ． 5 m) ； S 0 5 6 --S 0 6 2号墩位 于公 铁 合 建 分 岔 区 域 ( 支 座 中 心 线 横 向 间 距 为 5 ． 5 m) ； S 0 6 2 --S 0 7 3号墩为铁路 引桥 4 0 m箱梁单线 墩( 支座中心线横向间距为 5 ． 5 I n ) 。由于铁路与公路 分 岔 ， 造 成 桥 墩 结 构 形 式 复 杂 ， 有 四 种 结 构 形 式 ： S 0 2 8 --S 0 4 6标 准 门形 墩 1 9个 ， s O 4 7 一s 0 5 1 ， s 0 5 6 一 S 0 5 9门形 墩 9个 ， S 0 5 2 --S 0 5 5异形 门 墩 4个 ， S 0 6 0 一 S 0 6 2花瓶 墩 6个 。桥墩结 构 图如 图 2和 图 3 。移 动模 架必须适应以上各种工况 ， 为此进行 了以下比较分析。 4 ) 本文选 用的栓钉滑移一剪 力 曲线能够对 钢一 混 组合 梁 中栓 钉 的受力 行 为进行 较好 模 拟 。只要 有 限 元模型合理 ， 就能通过数值分析手段来准确模拟钢一 混组合梁的破坏过程 、 承载力和变形 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张喜 娥 ， 郭长青 ． 钢一混凝 土组 合梁的发展及应用 [ J ] ． 国外 建材科 技 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 6 9 — 7 1 ． [ 2 ] 宗周红 ， 车惠民． 剪力连 接件 静载和疲劳试验研究 [ J ] ． 福州 大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 6 ) ： 6 1 — 6 6 ． [ 3 ] 曹建安 ， 叶梅新 ． 结合梁栓 钉的极限承载力 的试验研究 [ J ] ． 长 沙铁道学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 7 ( 1 ) ： 1 6 - 2 0 ． [ 4 ] O L L G A R D J G， S L U T T E R R G， F I S H E R J W． S h e a r s t r e n g t h o f s t u d c o n n e c t o r s i n l i g h t w e i g h t a n d n o r m a l — w e i g h t c o n c r e t e [ J ] ． A I S C E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 1 9 7 1 ， 8( 2)： 5 5 — 6 4． [ 5 ] L I A， K R I S T E R C ． P u s h — O u t t e s t s o n s t u d s i n h i g h s t r e n g t h a n d n o r ma l s t r e n g t h c o n c r e t e『J] ．J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h， 1 9 9 6， 3 6( 1 )： 1 5 — 2 9 ． [ 6 ] 阎石， 刘学东． 钢一混凝土组合梁连接件的综合评述[ J ] ． 沈 阳建筑工程学 院学报 ， 1 9 9 6 ， 1 2 ( 2 ) ： 2 5 8 — 2 6 5 ． [ 7 ] L A M D，E L — L O B O D Y E ．B e h a v i o r o f h e a d e d s t u d s h e a r c o n n e c t o r s i n c o mp o s i t e b e a m f J 1 ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g， 2 0 0 5， 1 3 1 ( 1 ) ： 9 6 — 1 0 7 ． [ 8 ] 陈旭 东． T型 钢一 混凝 土组合 梁抗 弯性 能研 究 [ D] ． 苏州 ： 苏州科技学 院土木工程学院 ， 2 0 1 1 ． [ 9 ] 中华人 民共和 国建设部 ． G B 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 钢结 构设计 规 范 [ s ] ． 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 1 0 ] 过镇海 ， 时旭东． 钢筋混 凝土 原理与分 析 [ M] ． 北 京 ： 清华 大 学出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 1 — 2 3 ． [ 1 1 ] 石亦 平 ， 周 玉蓉 ． A B A Q U S有 限元 分析 实 例详 解 [ M] ． 北 京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 6 6 - 1 7 0 ． [ 1 2 ] 中华人 民共和 国建设部 ． G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 混凝土 结构设 计规范 [ s ] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 3 ] 过镇海 ， 时旭东． 钢筋混 凝土 原理与分 析 [ M] ． 北 京 ： 清华 大 学出版社 ， 2 0 0 3 ： 1 3 4 ． 1 3 5 ． ( 责任审编 赵其文)