钢-压型钢板混凝土组合梁非线性分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 3 4 期 ) 钢一压型钢板混凝土组合梁非线性分析 呼 玉琴 ， 胡夏 闽 f 南京工业大学土木工程学院， 江苏南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘 要1 用A N S Y S 程序对4个简支钢一 压型钢板混凝土组合粱试件的受力性能进行非线性分析， 在组合梁的有限元模 型 中 采用弹簧单元考虑了混凝土翼缘板同钢 粱间的滑移 ； 梁单元来模拟混凝 土所受到的栓钉对其的局部 压力； 非线性材料 本构模型考虑 了钢材和混凝土的材料非线性特性 。通过与试验结果的对比分析 发现该模型可以准确地模拟 出钢一 压型钢板 混凝土组舍粱的荷栽一 挠度 曲线、 交接面荷载一 滑移 曲线以及压型钢板组合板的开裂过程 ， 因此 ， 可以利用有限元 方法研究组 合 粱的 工作 性 能 。 【 关键 词1 混凝土组合梁； 钢一 压型钢板； A N s Y s ； 非线性 【 中图分类号 T U 3 7 5 1 【 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 O 1 0 ) 0 3 0 0 4 0 0 2 No n l i n e a r Fi n i t e El e me n t Ana l y s i s f o r Co mpo s i t e Be a ms wi t h Pr o fil e d S he e t i ng HU Yu -q i n HU Xi a -mi n ( 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 ) Ab s t r a c t ： Us i n g t h e a n s y s c o mp u t e r p r o g r a m w e r e c o n d u c t e d a n d t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r s o f t h e s e b e a ms w e r e a n a l y z e d Us i n g s p ri n g e l e me n t t o c o n s i d e r a c o n c r e t e f l a n g e p l a t e wi t h t h e s l i p b e t we e n s t e e l b e a m； b e a m e l e me n t t o s i mu l a t e t h e c o n c r e t e s u f f e r e d a p a r t i a l p r e s s u r e o f i t s p e g； n o n l i n e a r ma t e r i a l mo d e l c o n s i d e r s t h e ma t e ri a l o f s t e e l a n d c o n c r e t e n o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s Co mp a r e d w i t h e x p e rime n t a l r e s u l t s ， f o u n d t h a t t h e mo d e l c a n a c c u r a t e l y s i mu l a t e l o a d- d e f l e c t i o n c u r v e ， s l i p C u rve a n d c r a c k i n g p r o c e s s o f c o mp o s i t e b e a ms Th e r e f o r e ，fin i t e e l e me nt me t ho d c a n t a k e a d v a n t a g e o f t h e wo r k p e r f o r ma n c e o f c o mp o s i t e b e a ms K e y wor ds ：c o mp o s i t e b e a ms ；p r o fil e d s h e e t i n g； ANS YS ；n o n l i n e a r 钢一 压型钢板混凝土组合梁是一种新型 的结构构件。 由 于它受力合理且施工方便 ，今年来 已被越来越多地应用于 高层钢结构建筑和工业厂房的楼盖结构 中。 然而 ， 国内关于 钢一 压型钢板混凝 土组合梁的设 计规范尚不完善。传统一 般采用试验研究的方法 ， 这需要耗 费大量 的人力 、 物力 、 财 力。近年来 ， 随着计算机 和计算方法的迅速发展 ， 非线性有 限元理论和计算方法的改进，有限元可以对试验中的各 种 因素加 以合理的模拟 ， 为试验提供可靠合理的试验方案 ， 也 可 以避免结构试验中某些次要的干扰 ，同时不受试验数量 的限制 ， 正逐渐成为工程应用 的常用工具软件。 本 文采用非线性 分析 的方法 ，运 用大 型有限元 软件 A N S Y S 对简支钢一 压型钢板混凝土组合梁进行 了建模分析 ， 并将分析结果与试验结果进行了对 比。 1 A N S Y S程序对 组合粱的建模分析 l _ l 混凝土单元的本构关 系及破坏准则 S o l i d 6 5单元 是 A N S Y S软件专 门为混凝土材料定 义的 一 种单元 ，本身具有由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模 型， 能简单合理地模拟钢筋的受力性能。 混凝土本构关系采 用 E H o g n e s t a d建议 的应力一 应变 曲线f2 1 ， 在 A N S Y S程序 中 利用 等向硬 化模 型( I s o t r o p i c K i n e m a t i c H a r d e n i n g ) 来表达 应力应变关系。即 2旦 0 1 -0 1 5 e -e 一 S u 一 8o s0 ( 1 ) l 8 o 式 中， 表示混 凝土的应 变 ； 表示相应 于棱柱体抗压 强度 时混凝土 的压应变 ，取 0 0 o 2 ； 表示混凝土的极限压 应变 ， 取 0 0 0 3 3 ； 表示混凝土 的应力 ； 为混凝土棱柱体抗 压 强 度 。 该模型有下降段 ， 在下降计算时容易发散 ， 故求解时收 敛 条件用位移 收敛准则来 控制 。混凝 土的破坏 准则采用 Wi l l a m Wa r n k e五参数破坏准则 ，单轴受拉下 的混凝土 的 破坏准则为达到极限拉应力 ， 混凝土就开裂 。 裂缝模 型选取 半脆性模型 。 在混凝土开裂后可以进行应力释放 收敛性较 好 ， 可以减少对网格大小 的依赖。在 A N S Y S程序 中其裂缝 收稿 日 2 0 0 9 - 1 1 - 1 7 【 作者简介】 呼 玉 琴 ， 南 京 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 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 0年第 3期 ( 总第 1 3 4期 ) 2 计算过 程 本 文 采 用 牛 顿 一 辛普 森方 法 求 解 ， 以 节 点位 移 为 迭 代 收 敛 的控 制条件 ， 采用无穷 范数 收敛准则 ， 认为 节点力的相 对 误 差 小 于 O O1时 收 敛 。在 迭 代 次 数 超 过 1 5次 后 若 迭 代 结果仍不收敛或不满足程序 默认 的最 大位移条件 。就认为 计算模型 已破坏 ， 并把前一级计算荷载作为梁的极 限荷载 。 3 算 例 3 1 算 例的模 型参数 本文的算 例取 自文献 2 中 3个构件和文献 3 1 0 1 个构 件 ， 组 合 梁 试 验 参 数 详 见 表 1 ， 栓 钉 采 用 2 2 x 1 0 0， 双 排 布 置 ，纵 向 间 距 1 7 5 mm，横 向 间距 7 5 mm；压 型 钢 板 采 用 7 0 0 1 7 5 5 0 8型缩 口式压型钢板 ：加载方式为两点集中加 载 。 3 - 2 计算结果与试验结果的 比较 3 2 1 试件的荷载一 挠度曲线的比较 图 3中 给 出 了按 本 文 建 模 方 法 所 得 到 的 荷 载 一 位 移 曲 线 及 其 与 试 验 结 果 的 比较 。从 中 可 以 发 现 ANS YS程 序 计 算得 到的荷载一 位移 曲线与试验实测值吻合较好 ， 当钢梁屈 服 后 ， 混 凝 土 逐 渐 达 到极 限 抗 压 强 度 ， 荷 载 增 加 缓 慢 ， 可 见 所建立 的有 限元模型是合理的 ， 结果可靠 。 的处理 方式则 为分 布裂缝模 型 。混凝 土板 内的配筋 采用 s o i l d 6 5单 元 的整 体 式 模 型 ， 可 以避 免应 力 的集 中 。 1 2 钢梁单元和压型钢板的本构关系及破坏准则 钢 梁 采 用 三 维 实 体 单 元 一 s o l i d 4 5单 元 ， s o l i d 4 5单 元 是 八节 点的六面体单元 ，每个 节点 同样拥 有 x 、 Y 、 z三个方 向 的平移 自f j 度 ， 可以很好地模拟钢梁 的受拉 和受压性能 。 压 型钢板单 元采用三维 四节点壳一s h e l I 4 3单元 ， s h e l l 4 3单元 具 有 弹 塑 性 剪 切 变 形 的 特 性 ，能 很 好 的模 拟 压 型 钢 板 在 栓 钉 剪 力 作 用 下 的 剪 切 变 形 。 钢 粱 和压 型钢 板 应 力一 应 变 关 系 都 采 用 双 线 性 随 动 强 化 模 型 ( Bi l i n e a r Ki n e ma t i c ) ， 如 图 1所 示 ， 应 用 Vo n Mi s e s 屈 服 准 则 。 6 6 u 一一 一 一 一一一 q 一 一 - 2 4 v 图 1 Bi l i n e a r Ki n e ma t i c应 力应 变关 系 曲线 1 0 0 8 0 主 6 0 棺4 O 2 0 0 2 4 6 滑移 ( ra in ) 图 2有 限元 分 析 所 采 用 的 栓 钉 的 荷 载一滑 移 曲 线 1 3 栓 钉 单 元 及 荷 载 一 滑 移 的 应 力一 应 变 关 系 本 模 型 采 用 非 线 性 弹 簧 单 元 c o mb i n 3 9来 模 拟 钢 与 压 型钢 板 组 合 板 问 的 滑 移 其 荷 载 一 滑 移 曲线 由推 出试 验 实 测 的荷载一 滑移曲线来确定 这儿取其 实测 的 3 个推 出试验2 1 荷 载 一 滑 移 曲 线 的 平 均 值 ， 其 曲线 如 图 2所 示 。 为了模拟栓钉对混凝土板的局压 作用 ，在栓钉 的实际 位 置 设 置 了梁 单元 b e a m1 8 8，单 元 尺 寸 与 栓 钥 的 实 际 尺 寸 相 同栓钉上的节点和相应位置混凝土上的节点采 用耦合 命令耦合起来 。 4 4 0 0 3 N 1 3 0 0 i 2 2 0 0 #l 5 0 L 0 0 5 0 NCB9 捅鹰 -) NCBI 1 图 3荷 载一位移 曲线 计 算 值 和 实 测 值 的 比 较 3 2 2 试 件 的荷 载 一 滑 移 曲 线 的 比较 图 4给 出了屈服荷 载及极 限荷 载时 A N S Y S程 序计算 得 到 的 荷 载一滑移 曲线 及 其 与试 验 结 果 的 比较 。 虽 然 试 件 最 大 滑 移 量 时 的 有 限 元 计 算 结 果 与 试 验 结 果 有 一 些 偏 差 但 试 件 最 大 滑移 出现 的位 置 以及 沿 梁 跨 方 向滑 移 分 布 的 趋 势 表 1 试 验 梁 主 要 参 数 及 结 果 注 ： 1 、 单位为 N m m ( 下转第 9 9页 ) 舯呻 钟0 0 一 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 3 4期 ) 要低于寒冬期 ， 相应的循环流量可以减小。 如果采用大小泵 组合方式 ， 则可实现量的调节 ， 从而达到节能的 目的。取寒 冬期用 大泵 1台， 流量 为 G， 扬程为 H， 功率为 N， 若 选初 、 末寒期用小泵 1台， 取流量为 0 7 5 G， 则扬程 为 0 5 6 H， 功率 为 0 4 2 N， 经计算节约电耗 5 8 。 ( 4 ) 采用连续供 暖， 并根据室外温度变化实时调节 。连 续 供暖一方 面可以避免和减 少对锅炉频繁 的压 火和挑火 ， 以提高运行效率 ， 降低能耗 ； 另一方面散热面积可不考虑间 歇因素 的影响 ， 从 而减小 管道 流量 降低初期投资和 日常运 行 费用 ； 同时可以避 免远端建 筑供 暖“ 迟到现象” 做到远近 受 益均衡 。对热 网进行改造 ， 包括对高效保温管道 、 水力平 衡设备及温度补偿器 的应用 。 3 2 室 内采 暖 系 统 改 造 ( 1 ) 安 装 分 户 热 表 ( 图 4) 。按 户 分 环 、 控 制 阀 出 户 ， 分 户 计量 ， 按量计费。 分户热计量装 置如 图 4所示 。 按户分环的 室内采 暖系统可采用单管水平串联式 、双管并联式等能够 实现分 户控制 、 经济 、 可靠 、 节能 、 卫生 、 技 术先进 的其他形 式 。采 暖期结束后 ， 用 以查验耗热量 ， 按实际耗热量 收费。 ( 2 ) 分 室、 分户温控。根据室温 自动调节 流量 ， 在夜 间 、 无人时使能耗处于最低状态 。 在散热器人 口、 出口安装恒温 调节 阀， 或实施感温器和程控器联动 ， 以实现温度的控制 。 ( 3 ) 取消高点集 气罐 ， 采用 自动排气 阀 ， 可 以减少 系统 丢水现象 。在 自动排气阀上游设关闭阀 ， 以方便检修 ； 并装 设 Y型过滤 器 ， 以减少故障。 ( 4 ) 对 于干管 、 立管 、 支管进行详细的阻力计算 ， 以使各 并联环路达到水力平衡 ：不要单独依靠阀门手动调节达到 水力平衡 ， 因为环路 众多 ， 用阀门调节不易实现系统垂直及 5 l 、 供热 立 霄2 、 【团水 立臂 3 、截 止 阀4 、 除污 器 5、积分仪 6 、热流量计7 、供水温度传感器 8 、回水温度传感器 9 、手动平衡阀 图 4 分户热计量装置组成 水 平 方 向 失 调 的 有 效解 决 。 4结 语 针对 徐州地 区特有地域特点和气候条件 ，研究开发适 合本地区的既有采暖住 宅节 能改造技术措施 ，对该地区的 经济发展和建筑节能具 有重要 意义。上述提到的围护结构 以及采暖系统改造措施已经应用 经测试 ， 仅这二项 的综合 节 能 效 果 就 达 5 0 以 上 而 且 节 能 改造 的 投 入 也 较 少 ， 总 体效益明显 值得在该地 区进行推广应 用。 参考 文献 1 1 季翔 ， 张 宝军 ， 等 苏北地 区既有住 宅建筑 节能改造技 术研究 哈 尔滨 工业 大学学报 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) 【 2 徐 坚 2 1世纪 小康住 宅节能 系统 J 房材与应 用， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 8 1 ： 9 - 1 1 【 3 j I X i a n g ， F A N G J i a n b a n g ， “ A P r e l i mi n a r y S t u d y o n E n e r g y - S a v i n g D e s i g n o f R e s i d e n c e ”f J J o u r n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 1 9 9 5 ( 1 ， N o 1 A ) ： 1 9 l 一 1 9 4 业业出 业业业 业业坐船尘业始蛊逝 坐船业坐船业 些 业些 业出业 业业业些业业 ( 上接第 4 1 页 ) ： ： 器=： ： ： =： 0 日 0 察0 z 0 NCB9 一 值 一 时 值 一 时计算值 一掇m时计算值 畴中的 嵩( 由) I SI ： I II K0b l 图 4荷载一 滑移 曲线计算值 和实测值 的比较 是基本致 的。因此 ， 用 A N S Y S程序定性 的讨 论压型钢板 组合梁 的滑移规律是可行的 。 3 2 - 3 混 凝 土 板 的 裂缝 分 布 比较 图 5中给出 了 A N S Y S程序所模 拟 出来 的裂缝 的发展 规律 。从 中可 以看出 ， 裂缝一般在加载点 附近出现 ， 然后逐 渐 向支座处延伸 。 而对于剪跨 区内的裂缝来 说 ， 裂缝一般先 出现在栓钉根部 然后逐渐 向板面延伸 ， 这与试验中所观察 图 5裂缝的发展规律 到的现象基本相符。 4小 结 通过对钢一 压型钢板混凝土组合梁的有 限元分 析 ， 并 同 试验结果进行 了比较 。结果表 明 ， A N S Y S程序 能够 较准确 地模拟钢一 压型钢板混凝 土组合梁 的受力过程 ； 采用弹簧单 元 ( c o mb i n 3 9 ) 模拟钢 梁与混凝 土板 间的相对滑移 ， 并 在混 凝 土 板 内设 置 梁 单 元 ( b e a m1 8 8) 来 模 拟 混 凝 土 所 受 到 的 栓 钉对其的局部压力 ，即可合理地模拟 出钢梁与压型钢板混 凝土组合板的滑移 ，也 可以准确地模拟 出混凝土板 内裂缝 的发展规律 。 参考文献 1 车宏亚 ， 颜德短 ， 程文滚 混凝 土结构 M 北京 ： 中国建 筑 工业 出版 社 1 9 9 8 2 1 薛 永 林 钢 一压 型 钢 板 混 凝 土 组 合 粱纵 向 抗 剪 试 验 研 究 f D1 南 京 ： 南京 工业 大 学 ， 2 0 0 5 【 3 杨伟 ，压型 钢板对组 合粱 受力性 能的影响 D 】 南京 ： 南 京工 业 大 学 2 0 0 6 【 4 江 见鲸 ， 陆新征 A N S Y S S o l i d 6 5单 元分析 混凝 土 R 北 京 ： 清 华 大 学 土木 工程 系 攀 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m