新型外包鋼組合梁受力性能的非線性有限元分析

1、新型外包鋼組合梁受力性能的非線性有限元分析 1 引言外包鋼混凝土組合梁是近年來興起的一種新型組合結(jié)構(gòu)體系，它是采用薄鋼板直接冷彎或用冷彎薄壁型鋼焊接成U形截面，然后在U形截面內(nèi)部填充混凝土作為T形梁的肋部，翼緣為現(xiàn)澆混凝土板。外包鋼結(jié)構(gòu)與內(nèi)部混凝土通過鋼與混凝土之間的粘結(jié)力和開口隔板等連接件來共同受力，協(xié)調(diào)變形。在外包鋼組合梁內(nèi)部配置溫度補(bǔ)償鋼筋達(dá)到結(jié)構(gòu)安全防火的目的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 1 3 是外包鋼板可以代替鋼筋，起到受拉的作用，克服了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度低的弱點(diǎn)；內(nèi)部填充混凝土有效地阻止了薄壁鋼材的屈曲，提高了鋼材的屈曲承載力；同時(shí)鋼材的存在有效地改善了結(jié)構(gòu)的延性，使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性

2、大大優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)；U型鋼部件可作為組合梁的永久性模板，使得施工速度大大加快,木材的消耗量小，工廠化程度高。由于外包鋼組合梁以上優(yōu)越的工作性能，對(duì)它的研究已經(jīng)受到國內(nèi)外工程界的普遍關(guān)注和重視，一些專家學(xué)者對(duì)這種新型組合梁的工作性能進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，但對(duì)其受力全過程的理論分析比較少。有限單元法作為結(jié)構(gòu)分析的一種通用方法，可以分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合梁的力學(xué)性能，提供大量的分析數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文采用非線性有限元理論，借助大型有限元分析軟件ANSYS分析模擬外包鋼組合梁的工作性能。2 有限元模型的建立2.1 單元類型選取 混凝土單元本文中混凝土單元采用ANSYS中專門的鋼筋混

3、凝土非線性單元Solid65，Solid65單元是在三維4節(jié)點(diǎn)等參元Solid45的基礎(chǔ)上，增加了針對(duì)混凝土的材性參數(shù)（三維強(qiáng)度準(zhǔn)則）和由離散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型。它可以是六面體單元、五面體單元和四面體單元，可以在三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)，從而考慮3個(gè)方向的加強(qiáng)鋼筋。該單元能夠考慮材料非線性和幾何非線性效應(yīng)，具有斷裂（沿三個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形和蠕變功能，因而能很好地反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。 外包鋼板單元外包鋼板采用Shell43單元，它適合模擬線性、彎曲及適當(dāng)厚度的殼體結(jié)構(gòu)，單元中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：沿x、y和z 方向的平動(dòng)自由度以及繞

4、x、y和z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變的特性。 粘結(jié)滑移單元本文采用在外包鋼板與混凝土界面的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一組正交的長度為零非線性彈簧單元combin39來模擬鋼板與混凝土的粘結(jié)滑移問題，彈簧的一端連接外包鋼板單元節(jié)點(diǎn)，另一端連接混凝土單元節(jié)點(diǎn)。Combin39是一種包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的一維的具有非線性性能的單向受力單元，通過修改單元參數(shù)可以把它轉(zhuǎn)化為縱向拉壓彈簧（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別具有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度）。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要通過一個(gè)荷載位移（FD）曲線來定義彈簧的受力性質(zhì)，無需定義材料屬性。ANSYS將根據(jù)給出的荷載位移曲線自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的滑移量所對(duì)應(yīng)的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而得到彈簧的剛度系數(shù)，這種處理方法可以很好地模擬滑移發(fā)展后粘結(jié)剛度的退化。在混凝土與鋼板交界面的重合節(jié)點(diǎn)上設(shè)置三個(gè)相互正交的彈簧單元，分別模擬交界面上兩個(gè)切向和一個(gè)法向的粘結(jié)關(guān)系，切向和法向彈簧剛度顯然不同，應(yīng)分別考慮。對(duì)于法向彈簧，鑒于在發(fā)生粘結(jié)破壞時(shí)法向變形相對(duì)于切向要小得多，根據(jù)文獻(xiàn)4可以將法向彈簧剛度Kv取一個(gè)很大的值（本文取105）。對(duì)于切向彈簧，由上述分析知，每根彈簧剛度為荷載滑移關(guān)系的一階導(dǎo)數(shù)，而其中為界面粘結(jié)應(yīng)力與滑移本構(gòu)關(guān)系式，Ai為每根彈簧在交界面上代表的受力面積，不同位置的彈簧Ai顯然不同。根據(jù)彈簧對(duì)應(yīng)