钢-混凝土组合桁架梁性能分析.pdf

21 6 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o 第 4 4卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 V o 1 4 4 N o 3 Ma r 2 01 3 钢一 混凝土组合桁架梁性能分析 汪 洋L 2 李 天 ，董荣贵 ( 1 郑州大学土木工程学院， 4 5 0 0 0 1 ， 郑州；2 台州职业技 术学院土木工程系， 3 1 8 0 0 0 ，浙江台州 ； 3 国强建设集 团有限公司， 3 1 8 0 0 0 ， 浙江 台卅 ) 摘 要 ：通过将普通工字钢组合梁的理论计算结果与A N S Y S 有限元软件模拟分析结果进行比较分析 ， 验证 有限元模型的合理性。 通过有限元软件对 比分析普通工字钢组合梁 、 钢桁架梁和钢一 混凝土组合桁架梁( S C C T G) 在 同工况作用下 的受力性能 。结果表明S C C T G 的跨中挠度小于前两者 ， 用钢量比普通工字钢组合梁 节约2 2 6 ， 说明S C C T G 在受力性能和工程造价上都具有明显的优势。 关键词 ： 钢一 混凝土组合梁 ；组合桁架 ；受力性能 中图分类号 ： T U3 1 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 2 1 6 0 3 PERFORM ANCE ANALYS I S oF STEEL CONCRETE COM POS I TE TRUS S GI RDER WAN G Ya n g - ，L I T ia n ，D ONG Ro n g - g u i 。 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，4 5 0 0 0 1 ， Z h e n g z h o u ，C h i n a ； 2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n gin e e ri n g ，T a i z h o u V o c a t i o n a l T e c h n i c al C o l l e g e ，3 1 8 0 0 0 ， T a i z h o u ，Z h i a n g ，C h i n a ； 3 G u o q i a n g C o n s t r u c t i o n G r o u p C o ， L t d ， 3 1 8 0 0 0 ， T a i z h o u ，Z h i a n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ：T o v a l i d a t e t h e r a t i o n a l i t y o f fin i t e e l e me n t mo d e l ， S t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a m h a s b e e n c 0 mp a r e d b y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d fi n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n W i t h t h e s a me l o a d s ，p e rfo r ma n c e o f s i mp l e c o mp o s i t e b e a ms s t e e 1 t r u s s b e a m a n d S CC TG h a v e b e e n a n a l y s i s b y fin i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS Th e r e s u l t s o f t h e d a t a a n aly s i s r e v e a l e d mi d s p a n d e fl e c t i o n o f S CCT G i S s ma l l e s t ，a n d t h e t o t a l s t e e l c o n s u mp t i o n c a n b e r e d u c e d 2 2 6 I t s h o w s t h e S C C T G h a s t h e o b v i o u s a d v a n t a g e o n f o r c e p e r f o rma n c e a n d p r o j e c t c o s t Ke y wo r d s：s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a m；c o mp o s i t e t rus s ；s t r e s s p e rfo rm a n c e 钢一 混凝土 组合桁架梁 ( S C C T G) 是在 普 通组合 梁的基础 上发 展起来 的一 种新型受 力构件 ， 通过剪 力连 接件 ( 如 栓 钉 ) 将 混凝土 板和钢 桁架 形成 整体 共 同工 作 1 1 其 组成 一般 包 括钢 桁 架 、 混凝 土 板 和 剪力连接件 三部分 ( 图1 ) 。各种管线 可在桁架腹杆 的内空 中穿行 ， 从而提高室 内空 间的利用率 。 剪力连接件 图 1 钢一 混凝土组合桁架的组成示意 1 试验概况 文献2。 3 曾对 组合桁架 进行了有 限元理论 分析 和试 验研究 ，提 出有别于普 通组合梁 的设计 要求 。 本 文通 过相 同条件 下普通组合 梁 、 钢桁架梁和 组合 桁架梁 的工作情 况 ， 比较两者 的经济和受 力性 能指 标 。文献4 进行了跨度为1 3 1 3 3 的简支梁的试验分析 ， 为 收稿 日期： 2 0 1 2 0 9 2 9 基金项 目： 浙江省 自然科学基金项 目( Yl 1 0 0 3 8 7 ) ； 浙江省建设科研项 目 ( 2 0 1 2 0 9 5 ) 作者简介 ：汪洋( 1 9 7 8 一) ，男 ，浙江龙 游人 ，副教授 ，博士 ， e ma i l ： wa n g y a n g 9 6 1 2 6 c o rn 便于分析比较 ， 本文采用与文献4 同条件的工况。在使 用阶段总均布荷载标准值为1 5 9 3 k N m，其 中永久荷 载标准值为8 7 3 k N m， 可变荷载标准值为7 2 k N m。混 凝 土采 用C 2 5 ， 板厚 1 0 0mm， 板 宽1 5 0 0m m； 钢材采 用 Q 3 4 5 B， 栓钉采 用Q 2 3 5 ， 规格 为1 9 m mx 8 0mm， 单排 布 置 ， 间距为2 0 0m m。 2 钢一 混凝土组合梁计算结果 2 1 规 范计 算结果 按 钢结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 相关规定 ， 根据条件要求设计钢一 混凝土组合结构梁 ，钢梁采用 6 0 0 mm x 2 0 0 mm 1 5 0 mmx l Om mx l 4m m， 混凝土内配 8 1 5 0 钢筋( 图2 ) 。钢梁面 为1 06 2 0 mm 2 ， 截面惯性 矩 为5 7 2 7 4 x 1 0 m m4 ； 钢梁自重标准值g 为0 8 3 4 k N m。 C 2 5 混凝 土 中8 1 5 0 ： ： ： 1 ： c= 7 5 0 7 5 0 图 2 组合梁截面示意 2 0 1 3 年 3月 汪洋 ， 等 ： 钢一 混凝土组合桁架梁性能分析 2 1 7 2 1 1 受弯承 载力计 算 组合梁下边缘受拉最 大弯矩 为4 5 5 4 k N m， b e 1 4 0 0 m m。组合梁按完全抗剪连接设计， 即混凝土翼板 与钢梁间有可靠连接， 抗剪连接件按计 算需要配置 ， 以 充 分 发 挥 组 合 梁 截 面 的 抗 弯 能 力 ： A Xf= 1 0 6 2 0 x 3 1 0 = 3 2 9 2 2 k N b 。 = 1 6 6 6 k N， 则 塑性 中 和轴 在钢梁截面内。 塑性中和轴距混凝土板顶距离为1 1 3 0 7 m m 钢梁 受拉区截面形心至混凝土翼板受压区截面形心的距离 Y l = 4 2 0 1 7 m m，钢梁受拉 区形心至钢梁受压区形 心距 离y 2 = 3 6 3 6 3 mm。组合梁下边缘受拉抗弯承载能 力为 9 9 7 1 k N m 4 5 5 4k N I n ， 故组合梁下边缘受拉抗 弯承 载能力满足 。钢梁 下翼缘最大拉 应力为4 5 5 4 x 1 0 6 x 58 6 9 3 ， ， _2 0 O 5 6 N mm 。 2 1 2 抗剪连接件计算 梁端最大作用剪力 为4 0 1 k N。假设剪力仅 由钢 梁腹板承受 ， 抗剪承载力 = = 1 0 2 9 6 k N V = 1 4 0 1 k N， 满足抗剪承载力要求。 2 1 3挠 度计 算 容许挠度限值 v = 1 4 0 0 = 3 2 5 mm， 分别考虑标准组 合 ( 1 0 恒+ 1 0 活 ) 和准永久组合( 1 0 恒+ 0 4 0 x 1 0 活) ， 得 到组合梁短期效应和长期效应下 的最大挠度 分别 为 2 6 6 8 mm和2 2 5 2 mm， 均小于容许挠度限制。 2 2 A NS YS 计 算结 果 2 2 1 计 算模 型 本文采用通用有限元软件A N S Y S 进行建模和计算 分析。 计算时钢筋混凝土板采用s o l i d 6 5 单元， 钢梁采用 s h e l l 1 8 1 单元。 栓钉连接件选用c o mb i n 3 9 单元。混凝土 中的钢筋采用弥散型整体建模 。钢筋模型混凝土的本 构关 系按 混凝土结构设计规范) ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中 H o n g n e s t a d 建议 的混凝土应力一 应变关系。 上升段表达式为 ： 。 2 一 。 ( 1 ) 下降段表达式为 ： O c =O 01 1 - 0 5 f 6 c- 8 o 1 l，6 0 6 c (2 ) L 、S u -80 J 式 中 ： 0 0 为峰 值应力 ， 取0 8 5 Z； 应变 为0 0 0 2 ； 占 为0 0 0 3 3 。混 凝土 的本 构 曲线 按 多线 性 等 向强化 ( MI S O)模 型输入 。钢 梁采用双线性 随动 强化模 型 ( B K I N) ， 初始弹性模量E 取2 0 6 x 1 0 MP a ， 屈服 后切线 模 量取E= 0 0 1 E。栓 钉 连接件 的荷 载一滑移 关系按 O l l g a a r d 于1 9 7 1 年提出的模型 ， 公式形式为： V = V ( 1 一 e 弧) ( 3 ) 式 中： 为单个栓钉的极 限承载力 ， 按 钢 结构设 计规范) ( G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ) 取值 ； s 为栓钉滑移量。 2 2 2计算 结果 比较 根据以上材料 的本构 关系 ，建 立普通组合梁 的 受力模 型( 图3 ) 。分析 时采用的有限元模 型 ， 荷载采 用最 不利 组合设计值 ， 计算结果如 图4 所示 。此时组 合梁跨 中截面 的最大拉 应力为2 2 1 9 N m m 2 与规范 计 算 的最 大拉应 力2 0 0 5 6 N m m 2 相 比偏大 ，但可 接 受 。分析 原 因为 ： 有限 元模拟 分析 中采用 实际梁 宽 1 5 0 0 mm大于规 范计算采用的有效 宽度 1 4 0 0 m m， 施 加 到模型 上的荷载会 比理论计算时稍大 。在 挠度 对 比中 ，采 用标准组合 的荷载值 ，得到跨 中挠度 值为 4 1 1 mm， 与理论 计算 的2 6 6 8 mm差 别较 大 ， 主要 是 由计算模型选用和计算理论不同造成 的。 l ， z x 图 3 普通组合梁有限元模 型 一6 7 3 5 5 3 5 2 1 2 6 1 2 71 l 5 7 5 O 4 2 2 1 3 0 6 9 2 9 0 7 4 9 3 3 6 1 1 8 9 7 9 图 4 普通 组合梁应力云 图 3钢桁架和钢一 混凝土组合桁架截面 的选取 钢桁架设计中，假设所有荷载均按线性作用在桁 架上弦杆 。 设计桁架高为6 5 0 mm。 根据受相同荷载作用时 ，由强度条件控制来选取 钢桁架的截面 。通过试算 ， 上下弦杆选用2 L 1 2 5 x 1 0 ， 腹 杆选用2 L 5 0 x 5 ；同理可得组合桁架较合理的截面 ， 上 下 弦 杆 选 用 2 L 1 l O x l O ， 腹 杆 选 用2 L 5 0 x 5 ， 混 凝 土 板 厚 1 0 0 m m， 总高度 为7 0 0 m m。 4 ANs YS 计算 结果的对比 图5 ， 6 分别是钢桁架和组合钢桁架的有限元模型， 材料本构关系和外观尺寸参照普通组合梁取值 ，跨度 均为1 3 m。 钢一 混凝土组合桁架梁与普通组合梁的有限 2 1 8 建筑技术 第 4 4卷第 3期 元计算结果见表1 。通过比较分析 ， 在选用梁高度相同 时， 跨中截面最大拉应力基本相同。 组合桁架梁的跨中 挠度比普通组合梁小1 9 9 ， 更适用于大跨度结构 ； 在 梁高和跨度均相 同情况下 ，组合桁架梁用钢量比普通 的组合梁节约2 2 6 。若对组合桁架梁的上弦杆进一 步优化 ， 用钢量还可减少 能进一步提高经济效益。 y Z 图 5 钢桁架有限元模型 图 6 组合钢桁架有限元模型 表 1 钢 一 混凝 土 组合 桁 架 梁 与普 通 组合梁的设计对比分析 结构 粱高 跨 中截面的应力 ( N r a m ) 跨中挠度 用钢量 类型 r m n 上弦 上翼缘 下弦 下翼缘 m m ， t 组合桁架梁 7 0 0 - 8 0 1 8 2 2 4 3 4 0 4 2 0 8 3 9 普通 组合梁 7 0 o - 6 7 3 6 2 2 1 9 5 0 4 8 1 0 8 4 钢一 混凝土组合 桁架梁与钢 桁架梁 的有限元计 算结果见表2 ， 通过分析可知 ， 在截面选择上 ， 钢桁架 比组合桁架 的截面大 ；组合桁架梁中由于钢桁架与 混凝土板共 同作用 ， 主要 由上混凝土板承担压力 ， 本 例 中上弦杆也承担 了部分压力 ，下弦杆主要承受拉 力 ； 钢桁架梁 中的上部荷载 直接作用在上弦节点上 ， 上弦杆的应力较大 ，下弦和腹杆受力与组合桁架 的 受 力基本一致 ；组合桁架梁 的跨 中挠度比钢桁架梁 跨 中挠度减 少1 4 。 表 2 钢一 混凝土组合桁架梁与钢桁架梁的 设计 对 比分 析 最大应力 结构 梁高 截面 跨中 ( N mm 2 ) 挠度 类型 ram ram 腹杆 上弦 下弦 腹杆 上弦 下弦 组合桁架梁 7 0 0 2 L 5 0 x 5 2 1 - I 1 0 x 1 0 2 L 1 1 0 l 0 2 2 2 1 1 1 7 2 2 4 3 4 0 4 2 钢桁架梁 6 5 0 2 L 5 O 5 2 L 1 2 5 1 0 2 L 1 2 5 1 O 2 2 0 1 7 1 1 7 2 4 7 0 0 5结语 通过以上对比分析可看到 ， 钢一 混凝土组合桁架梁 具有以下特点 ： ( 1 )与普通组合结构相比能节省用钢量 ， 节约造 价 ， 可适当降低梁的高度 ， 提高建筑有效使用空间； ( 2 )与钢桁架梁相比能充分发挥组合梁 的优点 ， 上部混凝土翼板发挥作用 ，组合桁架梁上弦杆应力较 小 ， 可提高梁的抗弯承载能力 ； ( 3 )钢一 混凝土组合桁架梁的刚度较大 ， 跨 中截面 挠度变形小 ， 更适用于大跨度结构。 由于组合桁架梁使用阶段各种管线可在腹杆内空 中穿行 ， 提高了室内空间的利用率 ； 悬挂荷载 、 管线及 吊顶可直接作用在桁架的下弦 ，节省了悬挂梁和吊顶 龙骨等构件 是一种经济的结构体系。 参考文献 1 】 汪 洋 钢一 混 凝土 组合 桁架梁 研 究综 述 钢结 构 J 2 0 1 2 ， 2 7( 2 ) ： 1 5， 2 9 2 】 刘东营 基 于有限元分析的组合桁架 计算理论研究 D，合肥 ： 合肥 工业大学。2 0 0 5 【 3 郭仁杰钢一 混凝土组合桁架的试验研翘 D 1 ， 杭I I I ： 浙江大学， 2 0 0 7 徐明 钢一 混凝土组合梁受 力性能试验研究和有限元分析【 D 】， 合肥 ： 合肥 工业大学，2 0 0 9 建筑工A 2 0 1 3年第 3期 要 目 液压静、力管桩桩顶标高控制一法 二 次结 构 ( 填 充墙 、 构 造柱 ) 质 量控 制 要 点 多层砖 混结 构设计 应 注意 的一 些 问题 怎样做 好建 筑 资料 的 管理 工作 钢 筋机 械锚 固板 新技 术 檐 口和屋 面板 开孔及板 折 角构造做 法 建 筑防 火设 计应 注意 的安 全 问题 电梯机 房 改造应 用粘钢 加 固处理技 术 你会 绑框 架柱 的拉 筋 吗 预 制钢 筋 混凝 土方桩施 工质量 通病 与 防 治 请您向 当地邮局或本社发行部订阅 邮发 代 号 ： 2 5 1 4 定 价 ： 4 2 0元