建筑工程中钢混梁装配后力学性能分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-105-工 程 技 术随着城镇化建设的跨越式发展，城市规模不断扩大带动了建筑工程领域的快速增长，高层住宅和大型商用建筑的数量也不断增加1。受建筑规模和高度的影响，新建工程的安全性要求也更高。其中，梁是非常重要的结构，它是影响高层建筑和大型商用建筑安全的决定性因素2。从设计角度看，钢梁和混凝土梁是两种广泛应用的梁，为了进一步提高梁的强度和抗压性能，钢混梁也成为一种有效的结构形态。这种结构形态，综合了钢梁和混凝土梁的特点，进一步提高了梁的力学性能、减少了其承重载荷下的变形。在设计图纸的基础上，钢混梁经过施工装配后，设计性能能否达到预期至关重要，须以科学的分析方法、数学模型、计算手段和测试试验为依据加以论证3。本文以高层建筑中的大跨度梁的钢混设计和施工装配为研究对象，通过构建数学模型进行测试试验，分析钢混梁装配后的力学性能，以期为建筑工程领域的同类项目提供参考。1 构建高层建筑钢混梁力学特性分析模型在钢结构和混凝土结构的基础上，对钢混组合梁的结构进行设计。将两种结构组合在一起，以提高性能。在设计过程中，要根据工程项目的实际需求，对钢混材料几何结构层进行合理设计，通过调整相应参数，达到最佳的设计效果。在设计过程中，根据钢混梁几何结构，进行力学分析，是保证设计结果准确、可靠的关键。其中，截面设计方法是一种有效的手段。实际上，对高层建筑钢混梁的力学分析来说，可以从整体构建力学模型，并根据施力和受力的均衡关系进行力学性能分析，找到钢混梁整体的安全临界点。但是这种方法的问题是无法发现钢混梁可能出现问题的细节，无法预判或发现钢混梁力学风险最可能发生的位置。因此，须对钢混梁进行局部力学性能分析或内部剖析。针对这种情况，截面内剖法是最有效的手段，钢混梁每个点位都可以实施截面处理，剖开截面就可以分析钢混梁内部出现力学问题的原因和可能性，以此可以更直接准确地判定钢混梁的力学安全情况，比整体分析法优势更明显。1.1 钢混梁分析的内剖面模型对高层住宅等大型建筑来说，随着高度和建筑用料量的增加，梁结构的负荷也不断增加。因此，构建钢混梁是一种可以发挥二者优势，提高梁结构强度的有效方法。在钢混梁的设计过程中，要通过力学性能分析保障设计结构的安全性。在力学性能分析的过程中，要对钢混梁结构进行准确建模。通常，钢材和固结后的混凝土材料都是典型的刚性材料，不会发生塑性形变。为了简化分析过程，可以进一步忽略两种结构间的微小偏移，并将二者看成完全一致的统一体。同时，为了便于建模和力学分析，可以对钢混梁和纯钢材的梁结构进行对标换算。对钢混梁结构的力学分析由此演变为对钢梁结构的力学分析。为了获得准确的分析结果，最佳方案是将混合梁沿径向剖分，观察其内剖面平面上的各种特征。对高层建筑来说，钢混梁的径向内剖面和纯钢梁的径向内剖面，刚度特性和几何特性间有一个对标的换算关系，如公式（1）所示。MK MKCSCCS=（1）式中：MCS为高层建筑中配置的混合梁的径向内剖面的面积；MC为高层建筑中对标配置的纯钢梁的径向内剖面的面积；KC为高层建筑中配置的混合梁的杨氏模量。为了将弹性变形指标完全转化为梁结构的几何形变特征以便于后续分析，可以用梁结构的径向距离代替杨氏模量，从而得到公式（2）。dMdM dMSCCSCSS?（2）式中：dSC为高层建筑中配置的混合梁的径向内剖面中心轴线到剖面底部的距离；dC为高层建筑中对标配置的纯钢梁的径向内剖面中心轴线到剖面底部的距离；dS为高层建筑中对标配置的混凝土梁的径向内剖面中心轴线到剖面底部的距离；MCS为高层建筑中配置的混合梁的径向内剖面的面积；MS为高层建筑中对标配置的混凝土梁的径向内剖面的面积；M 为对标计算后的内剖面面积。1.2 内剖面模型下的力学特征分析在高层建筑中，混合梁结构负责承压，混凝土材料的力学性能要弱于钢材料的力学性能。当载荷逐渐增加的过程中，混合梁中的混凝土材料会抗弯失效。而混凝土材料出现强度问题后，无论钢材料是否安全，整个梁结构已经出现了问题。因此对混合梁的力学性能分析来说，要分析混凝土材料是否安全。在内剖面模型下，混凝土抗弯性能的检测条件如公式（3）所示。JCgCWC （3）建筑工程中钢混梁装配后力学性能分析王春彩（开封大学土木建筑工程学院，河南 开封 475004）摘 要：为了保障高层建筑的安全性，在施工中广泛应用大跨度的钢混梁结构。为准确分析钢混梁的力学性能，构建一种内剖面分析模型。在这种模型下，梁结构中的混凝土材料等效转化为钢材料，对其进行受力和变形分析，得到有关弯矩、挠度等力学性能指标的分析结果。采用 ANSYS 软件对高层建筑中的大跨度钢混梁进行有限元建模，并对装配后承受载荷及对应变形进行分析。结果表明：增加钢纤维的掺杂浓度，可以有效提高钢混梁结构承受变形的能力，使高层建筑安全性更高。关键词：高层建筑；施工装配；钢混梁结构；性能测试中图分类号：TU37文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（下）-106-工 程 技 术式中：JC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料实际承受的弯矩；gC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料最大的抗压强度；WC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料的抗弯截面系数。按照同样的方法，可以对混合梁中的钢材料内剖面上的抗弯性能进行检测，如公式（4）所示。JSgSWS （4）式中：JS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料实际承受的弯矩；gS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料最大的抗压强度；WS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料的抗弯截面系数。基于上述分析，可以更具体地计算混合梁内剖面内一个点的受力情况。其中，混凝土材料在内剖面上某一点的法向力，计算过程如公式（5）所示。FJdICCC=（5）式中：FC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料某点的法向力；J 为高层建筑中配置的混合梁整体所承受的弯矩；dC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料内剖面轴线到内剖析底部的距离；IC为高层建筑中配置的混合梁的混凝土材料所承受的惯性矩。按照同样的方法，可以对混合梁中的钢材料在内剖面上某点的法向力进行计算，如公式（6）所示。FJdISSS=（6）式中：FS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料某点的法向力；J 为高层建筑中配置的混合梁整体所承受的弯矩；dS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料内剖面轴线到内剖析底部的距离；IS为高层建筑中配置的混合梁的钢材料所承受的惯性矩。2 高层建筑钢混梁装配后力学性能试验结果与分析通过研究工作，对高层建筑钢筋混凝土混合的梁结构进行了原理性分析，并构建了内剖面分析模型和钢混梁的力学性能分析手段。考虑高层建筑普遍采用大跨度梁，因此用ANSYS 工具仿真一个大跨度钢混梁的结构，如图 1 所示。从图 1 的钢混梁仿真模型可以看出，这是一个典型的大跨度梁，为达到有限元的分析效果，梁结构整体划分成多个小单元，便于内部各种应力分析和变形分析。从截面形状看，这个钢混梁是一个典型的“T”形结构，因此每个径向的内剖面也是“T”形结构。从钢混材料的构成情况来看，为了满足高层建筑的安全性需求，采用了 C50 型混凝土、Q235 结构钢。这两者组合形成了基本材料，也是试验分析中的第二种材料。同时，为了同类材料的横向对比，还在基本材料的基础上配置了不同占比的钢纤维，形成另外 3 种材料，这 3 种材料的钢纤维的含量分别为 0.5%、1.0%、1.5%。确定试验材料后，根据内剖面分析模型，分析混合梁装配后可以承受的最大载荷及对应的挠度变形，试验结果如图2 所示。从图 2 中可以看出，横坐标上的 4 个刻度分别对应基本材料、分别掺杂 0.5%、1.0%、1.5%钢纤维的材料。两侧的纵坐标分别对应最大载荷和对应的挠度。根据图中折线的变化情况，在钢纤维的掺杂比例不同的情况下，钢混材料可以承受的最大载荷相差不大。但是，还可以明显看出钢纤维的掺杂比例越高，钢混梁可以承受的最大挠度越大、安全系数越高。掺杂 0.5%钢纤维的钢混材料可以承受的最大挠度就比基本材料高出近 25%，当钢纤维的图 1 ANSYS 软件平台下的钢混梁模型YXZ中国新技术新产品2024 NO.4（下）-107-工 程 技 术掺杂达到 1.0%时，钢混材料可以承受的最大挠度就比基本材料高出近 80%。在第一组试验的基础上，观察不同材料挠度变化的空间范围，分析结果如图 3 所示。从图 3 中各条曲线的变化情况可以看出，在载荷作用的位置处都是最大挠度的发生位置。随着距离载荷作用点的距离越来越远，不同材料钢混梁挠度逐渐降低。当距离增至左右 0.5m 的位置时，4 种材料的钢混梁挠度都降低。考虑不同施工要求的情况下，对钢混梁的强度要求会有所不同，也为了保障更高的安全性，钢混材料采用不同型号的混凝土，分别形成 C50 混凝土+Q235 结构钢、C75 混凝土+Q235 结构钢、C100 混凝土+Q235 结构钢 3 种材料，用于钢混梁结构的建造施工和装配。对比这3种材料的最大变形，试验结果如图 4 所示。从图 4 可以看出，混凝土型号越高、其强度越大、钢混梁结构的安全性也越高。C100 混凝土+Q235 结构钢材料形成的钢混梁，可以承受最大挠度为 15mm 的变形。C75 混凝土+Q235 结构钢材料形成的钢混梁，可以承受最大挠度为14mm 的变形。但相对 C50 混凝土+Q235 结构钢材料形成的钢混梁，可以承受最大挠度为 13mm 的变形来说，提升效果并不是特别明显。因此，在可以满足安全性要求的前提下，为降低建造成本、提高性价比，选用 C50 混凝土+Q235 结构钢材料建构钢混梁，可以满足高层建筑的要求。这 3 种材料的挠度变化范围与图 3 类似。3 结论随着城市建筑的不断升级，大型的高层建筑数量也不断增加，对建筑工程领域的安全性提出了更高的要求。在影响高层建筑安全的诸多因素中，梁结构发挥着非常重要的作用。因此，本文针对高层建筑的大跨度混合梁结构进行了研究，构建了力学性能的分析模型，并对装配后的混合梁结构进行性能测试。在研究过程中，从几个关键参数的角度出发，构建了混合梁结构的内剖面分析模型，对混凝土材料转换成钢材料进行统一性分析，进而得到其变形和受力等情况的分析结果。在 ANSYS 平台下进行研究，通过对比不同型号混凝土、钢、钢纤维形成的混合梁材料的性能，证实了钢纤维掺杂浓度越高，对混合梁结构的最大变形承受能力提升幅度越大。参考文献1 丁信哲.大跨度钢混梁转体过程中滑道梁力学性能分析 J.工程与建设，2018，22（1）：30-33.2 黄文腾，弓扶元.基于水-热-力耦合分析的钢混梁徐变数值模拟研究 J.低温建筑技术，2021，43（5）：505-510.3 李立峰，王孝亮，冯威，等.考虑钢梁应变强化的钢-混组合梁抗弯承载力计算 J.铁道科学与工程学报，2019，16（11）：2822-2831.图 4 不同混凝土型号下钢混梁的最大挠度变化对比C50混凝土 C75混凝土 C100混凝土151050-0.50-0.2000.250.50与跨中相对距离（m）对应挠度（mm）图 2 不同材料钢混梁载荷和挠度的内剖面模型分析结果对比图 3 不同材料钢混梁挠度变化的空间范围240 200 160 120 80 40024 20 16 12 8 40最大载荷/kN对应挠度/mm对应挠度/mm24201612840最大载荷 对应挠度基本材料-0.50-0.2500.250.50基本材料掺杂0.5%掺杂0.5%掺杂1.0%掺杂1.0%掺杂1.5%掺杂1.5%与跨中相对距离（m）