钢骨混凝土梁抗剪性能非线性有限元分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 5期( 总第 1 5 0期 ) 钢骨混凝土梁抗剪性能非线性有限元分析 陈梁 ， 张南 ， 何 露 ， 吴世清 ( 南 京工业 大学 土木工 程学 院 。 江 苏南 京 2 1 0 0 0 9 ； 南 京润 华市政 建设 有 限公 司 。 江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 【 摘 要】 文章在试验的基础上， 采用有限元软件A N S Y S 对空腹式钢骨混凝土粱抗剪性能进行了非线性有限元分析。经 对比验证 ， 计 算结果与试验 吻合较好 并从混凝 土强度 、 剪跨 比 、 配箍 率及斜 向角钢规格 角度进行 了钢 骨混凝土粱抗剪性 能 的影响因素分析 。 关键 词】 钢骨混凝土梁； 非线性有限元； 抗剪性能； 影响因素 中图分类号】 T U 3 7 5 1 文献标识码】 A【 文章 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 0 0 4 No n l i n e a r Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o n Sh e a r Ca pa c i t y o f S t e e l Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a m CHEN L i a n g Z HANG Na n HE L u W U S h i - q i n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 C h i n a ； 2 N a n j i n g R u n h u a M u n i c i p a l C o n s t r u c t i o n C o ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 C h i n a ) Ab s t r ac t ：Ba s e d o n t h e t e s t r e s u l t s ，n o n l i n e a r fini t e e l e me n t a n a l y s i s o n s h e a r c a p a c i t y o f t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms we r e fin i s h e d b y us i n g t h e fini t e e l e me n t s o ftwa r e ANS YS i n t h e p a pe r Co mp a r e d wi t h t h e t e s t ， t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a n d t h e t e s t r e s u l t s ma t c h w e l 1 T h e c o n c r e t e s t r e n g t h ， r a t i o o f s h e a r s p a n t o d e p t h ， t r a ns v e r s a l r e i n f o r c e me n t r a t i o a n d s o me o t h e r f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s h e a r c a p a c i t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m we r e a n a l y z e d Ke y wo r ds：s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e be a m；no n l i n e a r fin i t e e l e me n t ；s h e a r c a p a c i t y ；a f f e c t f a c t o r 0 前 言 钢 骨 混凝 土 ( S t e e l R e i n f o r c e d C o n e f e t e 简称 S R C) 结 构是 以钢 骨为骨架并在钢骨周 围配置钢筋 和浇筑混凝 土的 组合结构体系 因其充分利用钢与混凝土两种 材料 性能优 势 应用 日益广泛 。 钢骨混凝土结构根据 内部配钢形式不同 可分为实腹式和空腹式两大类 实腹 式钢骨通 常采用由钢 板 焊 接 拼 制 成 或 直 接 轧 制 而 成 的 工 字 型 、 H 型 、 口字 型 、 十 字型截面等 ：空腹式钢骨一般 由缀板或缀条连接角钢或槽 钢构成空间桁架式骨架 与实腹式相 比 空腹式钢骨较节省 钢材 该结构形式的配钢率和普通钢筋混凝土结构相 比稍 大甚至基本相 当 但其强度 、 剐度和延性却有较大提高 。同 时 空腹式钢骨混凝 土结构可 以解决粱与柱交叉穿筋 的问 题 。 目前 对于实腹式钢骨混凝土结构的研究较多 ， 而 有关 空腹式钢骨 混凝 土结 构的研究 和资料相对较少 。采用 有限 元 分析钢筋 混凝土梁 的资料较多_ l - 2 1 但 采用有限元对 空腹 式 钢骨混凝土梁进行分析的资料较少 所以开展相关方面 的研 究 工作 具 有 重 要 意 义 本 文 在 2根 空 腹 式 钢 骨 混凝 土 粱 的 试 验 研 究 基 础 上 ， 采用 有限元软件 A N S Y S对其抗剪 性能进 行 了非线 性有 限 元分析 通过选用合理的材料本构关系和材料参数 考 虑混 凝土单元 的开裂与压碎 进行精细 的映射 网格划分 以及 设 置合 理的求解控制 等 建立可靠的有限元模 型 并在此基础 上进 行了钢骨混凝 土粱抗剪性能 的影 响因素分析 ( 图 1 ) 。 1 钢 骨 混凝 土梁 试 件 参 数 为便于有限元与试验结果 的对 比分析 现将 钢骨混凝 土梁的试件参数 列入下文 的图表 中。 加载方式为单点集中 荷载f 图 2 1 。 2 有 限 元 模 型 建 立 2 1 单元类型 混凝 土采用 S O L I D 6 5单 元 纵 筋和 箍筋采 用 L I N K 8 单 元 纵 向角钢 和钢支 座垫板 均采用 S O L I D 4 5单元 斜 向 角钢采用可 自定 义截 面的 B E A M1 8 8单元。 2 2材料性质 收稿日 2 0 1 2 0 5 1 5 作者简介】 陈 梁 ， 男 ， 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 硕 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 翔 -驵 图 2钢骨混凝土梁加载示意 图 表 1 试 验梁相关参数表 当 时 ， = 肪 ( 2 ) 当8 时， o - - f , ( 3 ) 式 中 ： E为钢材的弹性模量 为钢材的屈服应力。 2 - 3 建模 与网格 划分 为减少 A N S Y S的计算量 本文的钢骨混凝土梁模 型 采用 1 2对称模型 。 建模过程采用 “ 由上至下 ” 的方法 ， 这 种 建模方法 简便 直观不易出错 。为确保 所生成的钢骨单元 和 混凝 土单 元均为平行六面体单元 划分 网格采用映射划分 。 对于 斜 向角 钢可 先 将 其 截 面划 分 为 规 格 的 矩 形 再 对 B E A M1 8 8梁单元长度方 向进行划分 。模型见 图 3 。 在 A N S Y S程序 中 混凝 土材料性质 的定义包括输 入 混 凝土 的单轴应 力一 应变 关系 曲线和 混凝 土的破 坏准 则 本 文混 凝土单轴应力一 应变关系采用 S a e n z 模型13 1 ： ： ( 1 ) a = t l J + (鲁 一 2 )+ ( ) 式 中 ： 为初始弹性模量 ， = o 6 。 为应 力峰值 时的割线 弹 性模量 ， o o 、 8 o 为受压峰值 的应力 、 应变 。 o r o 取 轴心抗压强度 ， =( 1 0 2 8 0 1 0 8 ) 。 破坏准则采用 Wi l l i a m Wa r n k e五参数破坏准则 混 凝土输入 的相关 参数详见表 2 本文 钢骨 和钢筋 的本构关 系均采 用双 线性 随动强化 模型 ( B K I N) ， 单轴应力一 应变关系为理想弹塑性模 型： 图 3有 限元模型 钢骨 、 钢筋与混凝土 的粘结 本 文模 拟的试件梁 其 内部 的角钢 与主筋 箍筋焊接在 起 ， 形成整体 的钢骨架 ， 同时斜方向布置的角钢在试验 静力 荷载时其本身也能起到阻碍钢骨架与混凝土在纵 方向的滑移作 用 。 类似 于抗剪连接件 。 所 以。 基于以上考 虑， 本文假设 角钢 、 钢筋与混凝 土之 间是完全粘结 的 对于有限 元模 型采用共结点的方式 3 计算结果试验验证 有 限元计算 和试验结果 对 比见表 3 从表 中的数 据可 看 出 。 开裂荷载 的结 果偏差较 大 。 主要的原 因包 括 ： 在试 验 过程 中 通常是将 肉眼看到的第 一条裂缝 所对应的前一级 荷载作 为开裂荷载 因此在观测构件开裂 时 捕 捉到真实的 开裂荷 载是 比较困难的 不 同的人观测 的结果不一定相 同 存在着测试误 差 所以试 验观测 的结果通 常比实际开裂荷 载值 大。另外 试件梁 的模拟值 比试验值偏大 可能的原 因 在于本文在有 限元模拟过程 中 忽略了钢 骨与混凝 土的粘 结滑 移 ， 而是按照完 全协 同工作 考虑 ， 造成计算结 果偏大 。 下文 以 S C 1 梁 试件为例 进行验证 图 4给出试验梁与有 限 表 2 混凝土相关参数裹 T 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期( 总第 1 5 0期) 元模型荷载一 挠度 曲线 对比 ： 图 5给出试验梁与有限元模型 加载点下方受拉角 钢的应变随荷载变化 的曲线对 比 ：图 6 给 出了试验粱与有限元模型在近支座处箍筋应变随荷载变 化 的曲线对 比。图表表 明 用 A N S Y S对钢骨混凝土梁进行 模拟时 ， 得 到的屈服荷 载 、 极限荷载以及相关参数曲线和试 验值 吻合较好 ， 说 明本文模型采用 的单元类 型 、 材料性 质 、 网格划分 等是合理 的 本文的有限元模型是合理的。 表 3 计算结果与试验结果对 比 荷 戴m 。 Z 3 墨 弓 。 挠 度( fl ： ： ) 图 4 荷载一 挠度曲线对b 厂= _ o l 0 O舯 1 O舯 2 O 0 0 0 04 O肺 S 0 006 O埘 加赣点下方膏悄应交 图 5 荷载一 角钢应 变曲线对 比 “ 一 一 ” m mI - o肺0 n 嘶4吼帆5哪2 O晒 避支盅点籍寅 啦瞍 图 6 荷载一 箍筋应变 曲线对 比 4 钢骨混 凝土梁抗 剪性 能影 响因素分析 4 1 混凝 土 强 度 梁的弯剪破坏最终 由混凝土材料 的破坏 控制 混 凝土 强度等级是影 响钢骨混凝 土梁抗剪性 能的一个重要 因素 。 在仅改变混凝土强度等级 ， 其他参数不变的基础上 ， 讨 论 了 混凝土强度改变对钢骨混凝土梁抗剪性能的影响。选取 的 参数和计算结果如表 4和图 7所示。 表 4 混凝土强度对抗 剪承载力 的影响 ： ： 一 ： m 强 铀 骚 柚 s 铒 p - I ： t l J I t( _ P ) 图 7 混凝土强度对抗剪承载力的影响 结果显示梁 3次都发 生了剪切破坏 并且 从图表 中可 以看 出混凝土强度的增大对钢骨混凝土粱极限荷载有 明 显的提高作用 ， 两 者近似于线性关 系 ， 另外 ， 混 凝土强度 的 提高对构 件的刚度 没有 明显影响 。 表 5 剪跨 比对抗剪承载力的影响 一 l ao J 、 二 j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期( 总第 1 5 0期 ) 3 3 4 2 剪跨 比 梁 的剪跨 比反映 了梁段弯 剪破坏 区 的应 力状态 和 比 例 。在仅改变剪跨 比 其他参数不变 的基础 上 讨论 了剪跨 比改变对钢 骨混 凝土梁抗 剪性能的影响 选取的参数和计 算结果 如表 5和图 8 结果显示 梁 4次都 发生 了剪切破 坏 并且从 图表 中可 以看 出 ， 当剪跨 比在小范 围变化时 ， 剪跨 比的增大 明显降低 了钢骨混凝 土梁 的抗 剪承载力 ， 同时刚度也有 明显降低。 4 3 配箍率 在仅 改变配箍 率 其他参 数不 变的基 础上 讨论 了配 箍率改变对钢骨 混凝 土梁抗剪性能的影响 选取 的参数和 计算结果如表 6和图 9 表 6 配箍率对抗 剪承载 力的影响 蔓 ； 薹 襄 ： m 。” 眺 ( -) “ “ 图 9配 箍率对抗 剪承载力的影响 结果显示 梁在配箍率 0 5 2 时发 生了弯 曲破 坏 其他 两次发生剪切破坏 。出现 图表 中的曲线 说明本文箍筋所取 的参数就 在弯坏 和剪 坏的 l临界 点附近 当临近抗弯承 载力 极限时提高箍筋 的配箍率并不 能提 高构件的极限承载力 表 7 斜 向角钢截面面积对抗 剪承载 力的影响 4 4 斜 向角钢规格 在仅改变斜 向角钢规格 。其他参数不变 的基础上 ， 讨 论 了斜 向角钢截 面面积改 变对钢骨 混凝 土梁抗剪性能 的影 响 。选取 的参数和计算结果如表 7和图 l O 。 褒 笔 夏 一 兰 垂一 豳 1 0 斜向角钢截面面积对抗剪承载力的影响 结果显示梁在角钢规格 为 L3 0 x 4时发生了弯曲破坏 其他 3次发生剪切破坏 。图表 曲线说明钢骨混凝土梁 的抗 剪承载力随着斜 向角钢截 面面积 的增大 而提高 但幅度较 小 同样当临近抗弯承载力极 限时提高斜 向角钢 的截面面 积并不能提高构件的极限承载力 5 绪 语 ( 1 )本文采用 有限元软件 A N S Y S对钢 骨混凝土梁进 行 了非线性分析 通过选用合理 的材料本构关系和材料参 数 ，考虑混凝土单元开裂与压碎 ，进行精细 的映射网格划 分 。 以及设 置合理的求解控制等 建立 的有 限元模型经试验 验证是合理的 ( 2 ) 进行 了钢骨混凝土梁抗剪性能影 响因素分析 。 结果 表明 混凝土强度的增大对钢骨混凝土梁极限荷载有明显的 提高作用 ， 两者近似于线性关系 ， 但对刚度 无明显影响 ： 当剪 跨 比在小范 围变化时 剪跨 比的增大明显 降低了钢骨混凝土 梁的抗剪承载力 ， 同时刚度也有明显降低 ： 钢骨混凝土梁的 抗剪承载力随着配箍率 和斜 向角钢截面面积的增大而提高 但幅度较小 并且 当临近抗弯承载力极限时提高配箍率或斜 向角钢 的截面面积并不能提高构件的极限承载力 。 参考文献 1 1 杨 勇， 郭子雄 基 于 A NS YS程 序 的钢 筋 混凝土 梁非线 性数值模拟U 】 福 建工程 学院学报 ， 2 0 0 5 ， 3 ( 6 ) ： 6 2 8 - 6 3 2 2 1 高丽 ， 曾晓云 。 王勇 基 于 NS YS的钢筋 混凝 土梁非线 性分析 若干 问题研 究 】 水利与 建筑 工程 学报 ， 2 0 1 1 , 9 ( 2 ) ： 92-9 7 【 3 】过镇 海， 时旭 东 钢 筋混凝 土原理和分析【 M】 北京： 清华 大学 出版社 2 0 0 3 4 14 郝 文化 A NS Y S土木工程 应 用实例 M1 北京 ： 中国水利 水 电 出版 社 2 0 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m