部分剪力连接简支组合梁的混凝土翼缘有效宽度有限元分析.pdf
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1、第 3 7卷第5期 2 0 1 1 年 l 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 9 部分剪力连接简支组合梁的混凝土翼缘有效宽度 有限元分析 许兰兰 , 胡夏闽 ( 1 江苏广播电视大学建工系, 江苏 南京2 1 0 0 3 6 ; 2 南京工业大学土木工程学院, 江苏 南京2 1 0 0 0 9 ) 摘要: 采用 A N S Y S有限元软件对部分剪力连接简支组合梁混凝土翼缘的有效宽度进行了系统的研究 , 探讨了荷载类型、 剪 力连接度、 组合梁的宽跨比、 混凝土板厚度等因素对组合梁有效宽度的影响, 以及有效宽度沿
2、组合梁跨度方 向的变化关系。 结果表明, 组合梁中混凝土板有效宽度随着剪力连接程度的提高而增大, 随着宽跨 比的增加而减小。最后, 拟合出了混凝土 有效宽度的计算公式, 为有关组合梁的进一步研究提供了依据。 关键词: 部分剪力连接; 简支组合梁; 有效宽度; 有限元分析 中图分类号: T U 3 9 8 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 2 9 0 5 An a l y s i s o f e ffe c t i v e wi d t h i n p a r t i a l l y c o n n e c t e d s i mp
3、l y s u p p o r t e d c o mp o s i t e b e a m XU L a n l a n HU Xi a mi n ( 1 C i v i l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t o f J i a n g s u R a d i o&T e l e v i s i o n U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 3 6 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l E n gi n e e r i n g , N a n
4、j i n g U n i v e rsi t y o f T e c h n o l o g y , N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 , C h i n a ) Ab s t r a c t : F i n i t e e l e m e n t mo d e l s( F E M)u s i n g A N S Y S a r e c r e a t e d a n d a p a r a m e t ri c s t u d y w a $p e r f o r me d t o d e t e r m i n e t h e s e n s i t i v e p
5、a r a me t e r s a ff e c t i n g t h e e ff e c t i v e w i d t h o f t h e c o mp o s i t e b e a ms , s u c h a s t h e r a t i o b L, d e g r e e o f c o n n e c t i o n a n d t h e typ e o f l o a d i n g, a n d a e q u a t i o n wa s p r o p o s e d t o c o mp u t e t h e e ff e c t i v e wid
6、t h o f t h e c o mp o s i t e b e am s T h e r e s u l t s c a n s e r v e a s a b asi s f o r f u r t h e r s t u d y o n c o mpo s i t e s t e e l c o n c r e t e b e am s Ke y wo r d s : p a r t i a l s h e a r c o n n e c t i o n; s i mp l y s u p p o a e d c o mp o s i t e b e am s ; e ff e c
7、t i v e wi d t h ; fi n i t e e l e me n t an a l y s i s O 前言 目前 , 钢一混凝土组合梁广泛应用于桥梁结构 及工业与民用建筑中, 已经有 了较为成熟 的设计方 法 。在钢一混凝土组合梁的混凝土翼缘板中存在剪 力滞后现象 , 引起板 中的正应力的不均匀分布。在 板中线位置正应力最大, 沿着板宽向边缘方向逐渐 减小。在设计 中, 为简化计算 , 通常采用有效宽度的 概念 。所谓 有效宽度 , 也就是 在这个宽 度范 围 内, 板中的正应力均匀分布且其值等于混凝土板 中 应力的最大值。混凝土翼缘有效宽度的确定对于 钢一混凝土组合梁的正确
8、设计来说 , 是非常重要 的。 一 旦确定 了有效板宽 , 就可以计算截面的惯性矩 、 截 面模量和刚度 , 可以研究结构中力 的分布 以及这些 力在构件 中所引起 的应力 , 这对组合梁 的挠度计算 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 2 - 2 3 作者简介: 许兰兰( 1 9 7 4一) , 女, 江苏徐州人, 工学硕士, 讲师, 研究 方向: 结构工程。 Ema i l : x u l l j s t v u e d u c a 和弹性抗弯承载力有着直接的影响。 关于有效宽度的问题, 国内外很多学者 已做过 研究 , 各 国规范 中对 翼缘 有效 宽度 的取值均 有规 定 I 5 J
9、。这些规范的共 同点都认为 , 梁 的跨度 是 影响翼缘有效宽度的最重要参数, 这过于简化了对 有效宽度的计算规定。理论和试验研究表明, 组合 梁的有效宽度除了和梁的跨 度相关外 , 还有很多 的 影响因素 , 如剪力连接度 、 宽跨 比、 荷载类型、 组合梁 的几何尺寸和材料强度、 配筋率等。本文针对这些 影响因素 , 采用 A N S Y S有限元分析 的方法 , 对部分 剪力连接简支组合梁混凝土翼缘的有效宽度进行 了 系统的参数研究 , 最后 , 拟合 出了混凝土有效宽度 的 计算公式 , 并通过与有限元方法及规范计算方法 的 对 比, 说明了公式 的准确性 。 1 钢一混凝 土简 支组
10、合梁翼缘板有 效宽度的非线性有限元分析 1 1 单元类型及本构关 系 在本文所建立的有限元模型 中, 混凝土采用的 3 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 是 S o l i d 6 5单元 , 钢梁采用的是 S o l i d 4 5单元 , 栓钉采 用空间二节点梁单元 B e a m1 8 8 , 而用 C o m b i n 3 9单元 来模拟混凝土板和钢梁交界面上的滑移。混凝土的 应力一应 变关系采用 了二次抛 物线 +下降 曲线模 型 , 在计算 中假定钢材为各向同性材料 , 选取的钢材 弹性模量为 2 0 61 0 N mm , 泊松 比为 0 3 , 屈服 强度 为 3 4 0
11、M P a , 选 取 的 单 元 为 8节 点 六 面 体 S o l i d 4 5 , 本构关系为双线性随机强化模型。钢梁与 混凝土板交界面上滑移特征 的模拟采用非线性弹簧 C o mb i n 3 9单元 , 其剪力连接件的荷载一滑移曲线按 文献 6 采用。 1 2 分析模型及结果 为验证有限元模型的正确性 , 采用 以上模型 , 对 文献 7 中的组合梁进行 了模拟 , 并 被验 证可 以良 好地模拟组合梁 的受力特征。所 以, 在此基础上采 用 同样的方法建立 了 8 3根组合梁的模型来进行部 分剪力连接简支组合梁有效宽度 的参数研究 , 以便 找出影响部分剪力连接简支组合梁有效宽
12、度的重要 因素。研究的参数主要有 : 梁的跨度 、 混凝土板宽 b 、 剪力 连接度 玑 荷 载类 型 ( 均布荷 载: 用 U D L表 示 ; 2点对称作用集 中荷载 : 用 2 P L表示 ; 3点集 中荷 载作用 : 用 3 P L表示) 、 混凝土板厚 h 、 混凝土的强度 等级( 抗压强度 ) 、 横向栓钉的列数。除了特殊说明 的情况之外 , 所有 组合 梁 中所用 的钢梁 型号 均为 H N 6 0 0 2 0 01 01 5 , 栓钉为 6 1 69 0 。组合梁具 体设计参数和构件特征及分析结果 , 见文献 8 。 2 参数分析 2 1 剪力连接度的影响 通过图 l 可以看出
13、, 随着剪力连接程度的提高 , 组合梁 中混凝土板有效宽度和实际板宽的比值 6 6 也随之提高 , 剪力连接度 叼1时 , 6 6一, 7 的曲线 斜率较大 , 当剪力连接度 叼1时 , 6 。 67 7 的曲线 斜率较 叼1时减小并开始趋 于平稳 。这说 明 , 相 对于完全剪力连接的组合梁来说, 部分剪力连接的 组合梁其有效板宽更容易受到剪力连接度的影响。 图 1 各种荷载作用下有效宽度一剪力连接度关系曲线 Fi g 1 Re l at i o ns h i p be t we e n b e b a nd ,a t v ar i o us l oa ds 混凝土翼缘的有效宽度随着剪力连接
14、度的增加 而增加 , 这和栓钉 附近的应力分布是有关 系的。由 于栓钉的存在引起 了局部 的应力集 中, 而这种局部 的应力集中现象使混凝土板中纵向压应力 的最大值 大幅度增加。由有效宽度 的定义可知 , 在混凝土有 效宽度的计算 中, 如果纵向压应力的最大值增加 , 则 有效宽度就随之减小 。所 以, 应力集 中导致 了混凝 土翼缘有效宽度的减小。对于完全剪力连接的组合 梁 , 其栓钉的数 目大于部分剪 力连接组合梁 中的栓 钉数 , 而且栓钉的数 目越多 , 那么 , 所 引起的应力集 中现象就会越趋近于均匀 , 局部效应就不是很明显。 所 以, 完全剪力连接时的有效板宽要大于部分剪力 连
15、接时的有效板宽 。 利用数值回归的方法对图 1中的有限元分析结 果进行 拟合并 , 可 以得 到组合 梁有 效板 宽 的比值 6 6和剪力连接度 之间的关系式为 : 6 。 b=0 6+0 1 5 r ( 1 ) b L= 0 05 b L= 0 1 b L= 0 2 b - 0 3 6 L 盅0 4 2 2荷载的影响 2 2 1 荷载类型的影响 在研究荷载类 型对混凝土有效宽度的影响时, 考虑 了3种荷载类型 : 均布荷载 ( U D L ) 、 2点对称作 用的集中荷载 ( 2 P L ) 和 3点集 中荷载作用 ( 3 P L) 。 根据不同的板宽、 跨度和剪力连接度 , 建立了 6组模
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