栓钉锈蚀钢-混凝土组合梁有限元分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 3年第 5期( 总第 1 7 9期 ) 圜 栓 钉 锈 蚀 钢 一混 凝 土 组 合 梁 有 限 元 分 析 吴麟 ， 陈驹 ， 金伟 良 ( 浙江大学结构 工程研究所 。 杭 州3 1 0 0 5 8) 【 摘要】 为研究锈蚀对于钢 一 混凝土组合梁受负弯矩的力学性能影响， 采用 A B A Q U S 有限元分析软件建 立 7个组合梁模型。通过对7个模型施加负弯矩荷载 ， 研究锈蚀对组合梁的力学性能影响规律。分析结果表明： 随着栓钉锈蚀率的增加， 组合梁刚度出现明显降低 ； 钢梁 一混凝土之间的滑移增大 ， 组合梁极限承载力呈现下降 趋势 ， 但下降程度较少。 【 关键词】 钢 一混凝土组合梁； 负弯矩； 栓钉； 有限元 【 中图分类号】 T U 3 9 8 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 2 8 0 3 F I TE ELE NT ANALYS I S olF CoMPoS I TE S T EEL- CoNCRETE B EAMS W lH STUD CoRRoDED WU L i n， CHEN J u，J I N We i l i a n g ( I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i ， Z h e j i a n g U n i v ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t： S e v e n 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 fin i t e e l e me n t mo d e l s a r e b ui l d t o s t u dy t he e ffe c t o f t h e c o r r o s i o n o n t h e me c h a n i c a l b e ha v i o r o f c o mp o s i t e b e a ms，h o g g i n g mo me n t wa s a pp l i e d o n 7 u n c o r - r o de d a n d c o r r o d e d c o mp o s i t e b e a m mo d e l s Re s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t i ffne s s o f c o mp o s i t e be a ms u n d e r h o g g i ng mo me n t d e c r e a s e s wh e n t h e s t ud c o r r o s i o n r a t e i n c r e a s e s The b o n d s l i p b e t we e n t h e s t e e l a nd c o n c r e t e i n c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e d s t u d c o rro s i o n r a t e Th e u l t i ma t e s e n g t h o f s t e e l c o nc r e t e c o mp o s i t e b e a ms s l i g h fl y d e c r e a s e s w i th the i n c r e a s e d s t u d c o r r o s i o n r a t e Ke y wor ds： c o mp o s i t e s t e e l c o nc r e t e b e a m ；h o g g i n g mo me n t ；s t u d；fin i t e e l e me n t a na l y s i s 钢 混凝土组合结构是一种将钢结构和混凝土结 构结合起来新型截 面形式 ， 具有面 尺寸小 ， 白重低 ， 抗 震性能好等优 点 ， 具 有显著 的技术经济 效益 和社会 效 益。桥梁结构中采用最普遍的是钢- 混凝土连续组 合梁结构 ， 桥面体系中存在的组合连续梁在支座处承 受负弯矩存在混凝土受拉开裂、 钢梁受压的问题， 恶 劣环境下氯离子等侵蚀介质通过裂缝侵入混凝土内 部 ， 影响组合梁 的性 能。国内外对钢一 混凝土连续 组合 梁负弯矩 区受 力性 能研 究 主要集 中在 从结 构 力学 角 度计算和控制负弯矩的裂缝宽度 ， 研究负弯矩区剪力 连接件性能、 钢 混凝土共同工作状况对整体结构的影 响等 ， 很少从耐久性 的角度进行 组合梁 负弯 矩 区的 分析研究。研究表明， 锈蚀已经成为影响组合结构耐 久性的一大主要因素 ， 近年来国内也开始展开氯盐 侵蚀下 的组合 梁的力学性 能研究 ， 但 这些研 究都 未 涉及组合梁 负弯矩 区耐 久性问题 ， 而且 对组合 梁耐 久 性 问题进行有 限元分析极少 ， 因此 有必要对钢- 混凝 土 组合梁 耐久性 问题进行有限元分析。 1 钢 混凝土有限元模型的建立 基金项 目 国家支撑计划 ( 2 0 1 I B A J 0 9 B 0 3 ) 钢 一 混凝 土组合 梁 主要 由混凝 土翼 板及 其 内部钢 筋、 钢梁 、 栓钉四个部分组成 ， 采用 A B A Q U S有限元分 析软件进行 建模 ， 组合 梁全长 1 9 0 0 m m， 混凝 土板 截 面 为 7 0 ra m 4 5 0 m m， 钢梁截面为 l O O m m2 0 0 m m的矩 形钢管 ， 混凝土板 内部纵 向铺设 4根 6 m m 的一级 钢筋 和 6根 1 0 m m的二级螺纹钢 ， 栓钉规格为 1 O 5 0 m m， 单 排间距 为 1 0 0 ra m布 置 。模 型 中钢筋 和混凝 土 板均 采用 8节点 6面体线性完全减缩 积分( C 3 D 8 R ) 。采用 减缩积分具有位移结果 比较精 确 、 扭 曲变形是 分析精 度不会受到太大影响 、 完 全荷 载下不容 易发 生剪切 自 锁 等优点 。钢筋 采用 T 3 D 2三维 两节 点桁 架单 元 ， 剪 力连接件采用弹簧( S p r i n g A) 单元， 该单元可以在不需 要详细模拟整体的情况下建立两节点间的有效刚度 或阻尼， 在变形过程中两节点间的作用线保持不变。 将钢梁上 l 9个栓钉 中心 的位置添 加三个 方 向的弹 簧 单元， 对沿着组合梁纵向的弹簧定义一个相应的剪切 刚度 ， 对其 他两个 方 向的弹簧定 义一个 相对很 大 的刚 度来模拟在组合 梁 的受 力 情况 下 栓钉 产 生变 形并 传 递剪力 。忽略钢梁 和混 凝 土之间 的摩擦 ， 钢梁 和混 凝 吴麟等 ： 栓钉锈蚀钢- 混凝土组合梁有限元分析 土的接触面切 向属性 向直 接选 用无摩 擦 ， 法 向属性 则 采用 硬接触 ， 接触面不再 分离 。对 于混 凝 土板 中的钢 筋通 过接触 模块 中的埋 入单 元进 行 模 拟。模 型上 面 混凝 土、 钢梁 及钢 筋都 采 用 等 间距 划 分， 间距 为 2 0 m m。为了模拟试验通过分配梁施加 ， 模 型分别 为在 梁跨中左右各 3 0 0 ra m的位置施加两个均布荷载 ， 加载 面积 分 别 为 1 0 0 m m 4 0 m m， 在 距 离 组 合 梁 边 界 1 5 0 ra m的地方设置 支座 ， 一端 模 拟 固定 绞 支座 ， 另一 端约模拟 滑 动绞 支座 。荷 载施 加 图和支 座 约束 图如 图 1所示 图 1 有 限元模型 图 2 模型本构关 系的选择 A B A Q U S中的混凝土损伤塑性模型采用各向同性 损 伤弹性和各 向同性拉 压塑性来 描述 混凝土 的非弹性 Z 砉 X 柱 0 0 1 0 2 O 3 0 4 0 50 滑移 ra m 性 能。模 型 中假设 混 凝土 材料 的发 生破 坏 的两 种 方 式分别为拉伸开裂和压缩破坏， 表 1为混凝土损伤模 型屈服 面参数 ； 钢筋 以及 钢梁应力应 变关 系采用 理想 弹塑性模型， 弹性阶段用弹性模量 E来表示应力应变 关系 ， 达到屈服强度以后， 应力保持一个稳定值。 表 1 屈服面参数 国内外众多学者对钢 混凝土组合梁耐久性有限 元模拟方面的研究做的比较少的原因是由于组合梁 锈蚀后 混凝土板及其 内部 的钢筋 和栓钉发 生锈 蚀 ， 三 个部分发生了复杂的物理化学变化， 对栓钉和钢筋以 及混凝 土锈 蚀后 本 构定 义存 在 比较 大 的 困难 。文 中 只考虑 跨中五个栓钉被 锈蚀的情况 ， 对模 拟栓 钉 的弹 簧单 元 自定 义 刚度 曲线 ， 并且 考虑 曲线 的非线 性 ， 曲 线采用实际试验 曲线。采用该方法可以准确的模拟 出栓钉锈蚀以后其抗剪刚度的退化和栓钉锈蚀对组 合梁负弯矩区性能的影响， 弹簧的刚度曲线见图 2 。 图2 弹簧刚度曲线 图 3有限元结果分析 ( 1 ) 钢 - 混凝 土组 合梁 承 载力 。定 义混 凝 土板 内部纵向受拉钢筋全部屈服作为模型承载力极限值。 组合梁整体应力图见图 3 ， 从图中可以较明显看出钢 梁加载后弯曲明显， 出现明显的挠度和钢梁- 混凝土之 间相对 滑移 ， 钢梁顶部压应力较大 。 得出各模型的最大极限承载力， 并对 比聂建国等 人 的理 论计算 公式 ， 见表 2 ， 表 中可 以看 出钢 混 凝 土组合梁在 反 向加载 的情 况下 抗 弯承 载力 和理 论 计 算值吻合 的很好 ， 证明模拟的可靠性 。 将各模型 的极 限抗 弯承 载力 和 相应 的弹簧 模 拟 的栓钉剪力连接件的锈蚀率分别作为纵、 横坐标， 得 出锈蚀率承载力 曲线图， 见图 4 ， 从图中可以看出， 随 着栓钉锈蚀率的增加， 弹簧刚度的降低 抗弯承载力 出现明显 下 降的趋 势 ， 且呈 现 出线性 的关 系 ， 对 该 曲 线进行线性 拟合 可 以得 出承载 力 随锈蚀 率 的 下降公 z 2 0 砉 1 5 X 1 0 糖 5 O 0 2 4 6 8 1 O l 2 滑移 ra m 5 6 7 式为式 1 ， 其中P 为抗弯承载力， 为锈蚀率， 。 表 2 承载力对 比 P = 4 3 3 7 2 0 6 6 5 x ( 1 ) ( 2 ) 组合梁跨 中挠度值 。从 图 3中可以看 出组 合梁产 生较 明显挠度 ， 从 图 5中可 以看 出加 载初期 荷 载挠度 曲线 为线性 ， 当进入 塑性阶段后 曲线非 线性较 低温建筑技术 2 0 1 3年第 5期 ( 总第 1 7 9期 ) 为明显。对 比有限元挠度和挠度理论计算值见表 3 ， 表 中可 以看 出随着锈 蚀率 的增长 ， 有 限元和理 论挠 度 越来越接近， 且各模型的数值与理论值相差很小。 表 3 挠度值对 比 m m 编号 M o d e l - 1 M o d e l - 2 M o d e l - 3 M o d e l -4 M o d e l -5 M o d e l - 6 M o d e l - 有限元值1 9 4 5 l 8 4 1 l 7 9 7 l 7 2 l l 6 7 6 1 6 1 9 1 5 5 6 理论值1 1 8 7 3 1 1 3 5 1 1 1 6 3 3 1 1 8 9 9 1 2 8 4 7 1 4 2 5 6 1 4 9 5 4 ( 3 ) 钢梁 一混凝土滑移值。图3中可以看出钢 梁与混凝土板之间产生了相对滑移， 这也是因为剪力 钉的变形导致 的 ， 因此 弹簧刚度 曲线的调 整必然 对两 者之间的滑移量产生一定的影响， 图6为荷载滑移曲 线 ， 该 曲线和荷载挠度曲线相似， 有明显的线性和非 线性段 ， 加载至 3 5 0 k N左右进入 塑性 区。根 据表 4中 有限元和理论滑移值对 比可知 ， Mo d e l 一1 模型的滑移 值与理论值 吻合 的较好， 其他模型滑移值 比理论值 大， 且随着锈蚀率 的增加滑移值 出现上下浮动， 规律 不明显。 4 量 4 鑫4 瞄d 4 图3组合梁应力 图 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 锈蚀率， 图4 锈蚀率承载力 曲线 表 4 滑移值对 比 m m 编号 M o d e 1 1 M o d al -2 M o d e l - 3 M o d e l 4 M o d e l - 5 M o d e l - 6 M o d e l - 理论值0 2 2 3 0 2 3 0 0 2 3 5 0 2 3 7 0 2 5 3 0 2 6 6 0 2 7 0 有限元值 0 2 1 0 0 0 6 2 6 l 0 6 2 6 5 0 6 1 2 7 0 6 2 9 6 0 6 1 6 8 0 6 2 5 5 4结语 文中对跨中纯弯段栓钉锈蚀的钢- 混凝土组合梁 进行了有 限元模拟， 研究其受负弯矩的情况下承载 力 、 挠度和钢梁与混凝 土之 间相对滑移的变化 ： 5 0 0 4 0 o Z 3 0 0 牲2 0 0 1 0 o O Z 销 枢 挠度 ram 图5 挠度荷载曲线 善一 滑移值 ram 图6 荷载滑移 曲线 ( 1 ) 栓 钉锈蚀 率 的增加 、 弹簧 刚度 的降低 会 导 致钢 一 混凝土组合梁极限抗弯承载力下降， 下降线性 较明显 ， 但下降幅度不大 ， 与理论计算值想符合。 ( 2 ) 荷载挠度 曲线呈 现出明显 的线性 和非线性 两个 阶段 ， 对 比理论挠 度值 发现 有 限元挠 度值偏 大 ， 随着栓钉锈蚀率增加理论和有限元挠度值逐渐接近。 ( 3 ) 荷载滑移曲线 在加载 至 3 5 0 k N左右从线性 阶段进人非线性阶段 ， 与理论值对比可以看出锈蚀后 钢梁混凝土之间的相对滑移值 比未锈蚀 大。 参考 文献 聂建国 ， 余志武 钢 一 混凝 土组合 梁在 我国的研究及应用 J 土木工程学报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2) ： 38 叶梅新 。 张晔芝 负弯 矩作 用下钢 一混凝 土结合 梁性 能研 究 J 中国铁道科学 ， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 5 ) P B B a mf o r t h En h a n c i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u r a b i l i t y：g u i d a n c e o n s e l e c t ing m t l r e 8 f o r mi ni mi z i n g t h e r i s k o f C O I T O S i O Irl of r e i n f o r e e m e n t i n c o n c r e t e R C o n c r e t e S o c i e t y T ech n i c a l R e p o r t ， 2 0 0 4： 61 余志武 。 匡亚川 ， 龚匡晖 ， 等 加速锈蚀钢 一混凝 土组合梁 的性 能试验研究 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 1 0， 1 7 ( 3 ) 聂建 国 钢 一混凝 土组合梁结构 一试验 、 理 论与应用 M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 【 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 2 作者简介 吴麟 ( 1 9 8 9一) ， 男 ， 江 西抚州人 ， 硕 士， 从 事组 合结构耐久性研究工作。 i 1 J 1 J