新型混凝土与型钢组合梁非线性分析.pdf

吕向堂等： 新型混凝土与型钢组合梁非线性分析 3 l 圈 新型混凝土与型钢组合梁非线性分析 吕向堂 ， 韩庆华 I 1 天津大学建筑工程学院 天 津3 0 0 0 7 2； 2 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验窒( 天津大学) 。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 考虑了四种不同橡胶掺量的新型混凝土组合梁， 运用有限元软件 A N S Y S 在静力加载作用下对四 种组合梁进行双重非线性分析 ， 得到构件的开裂荷载， 极限承载力 ， 跨中节点挠度， 着重对橡胶集料混凝土组合梁 和普通混凝土组合梁的力学性能作对 比分析。分析表明， 橡胶集料混凝土组合梁的开裂荷载远远高于普通混凝 土组合梁， 前者吸收能量的能力较后者显著增强， 对于冲击荷载和地震作用的抵抗能力有明显的改善和提高， 而 随着橡胶集料掺量的增加， 组合梁的极限承载力有小幅度的降低。 【 关键词】 橡胶集料混凝土组合梁 ； 开裂荷载； 极限承载力； 跨中挠度； 非线性有限元 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 ： 献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 3 1 0 3 随着大型结构桥梁和超高层建筑的增多， 对轻集料混 凝土的需求与日俱增。橡胶集料混凝土也称橡胶改性混凝 土或弹性混凝土， 是一种由橡胶集料、 水泥浆体、 矿物掺合 料、 外加剂以及普通混凝土骨料组成的多相水 泥基复合材 料 ， 是在原有多组分混凝土基础上引入一定量的柔性成分 而使混凝土性能得到大幅提升的新型水泥混凝土材料。其 中的橡胶集料是指由废弃轮胎以及非轮胎的橡胶制品， 如 胶带、 废橡胶胶管等废橡胶制品经加工而得到的橡胶微颗 粒 ， 因此橡胶集料混凝土也是一种环境友好型绿色材料。 橡胶集料混凝土具有耐磨性好 ， 抵抗车载能力强， 振动、 噪 声小， 不翘曲， 抗裂性强 ， 防锈性好 ， 出色的抗渗性等特点， 同时具有明显能量耗散的功能L l - 3 ， 因此可作为性能 良好 的桥面板混凝土材料， 尤其可 以有效解决组合梁混凝土翼 板纵向开裂问题。迄今为止 ， 国内外对组合梁及剪力连接 件的研究主要集中在试验方面 ， 虽然也制定一些理论研究 和设计规范， 但由于世界各地材料的差异性以及各国工程 实际的不同， 尚缺乏比较系统的理论分析、 精细的有限元数 值分析及简单实用的经验设计公式 ， 国内外 目前对橡胶集 料混凝土组合梁的研究近乎空 白， 因此有必要通过数值分 析的方法来研究这种组合梁的力学性能。 文中考虑了四种类型的试件， 分别为普通混凝土组合 梁， 5 、 1 0 和 1 5 三种不同橡胶掺量混凝土组合梁， 四种 试件均采取完全抗剪连接， 采用有限元软件 A N S Y S 进行数 值模拟， 分析了这四种构件在静力荷载作用的开裂荷载， 极 限承载力， 跨中节点挠度， 着重对橡胶集料混凝土组合梁和 普通混凝土组合梁的力学性能作对比分析。 1 模型的建立 采用有限元软件 A N S Y S 进行建模， 共分析了四种不同 橡胶掺量的混凝土与型钢组合梁， 混凝土的抗拉压强度， 弹 性模量， 密度等参数选用文献 6 中的试验数据。 ( 1 ) 单元类型的选取。计算 中对钢梁 采用 S O L I D 4 5 基金项目 天津市自然科学基金资助项目( N 0 1 1 J C Z D J C 2 4 0 0 0 ) 单元， 对混凝土采用 S O L I D 6 5 单元， 纵筋采用 L I N K 8 ， 栓钉采 用 B E AMl 8 8 。 表 1 四类的混凝土的A N S Y S建模计算参数 ( 2 ) 材料本构关系和屈服准则。普通混凝土本构关 系采用 W i l l a m Wa m k e 五参数破坏准则， 混凝土张开裂纹 传递系数取为0 5 ， 闭合裂纹传递系数取 1 0 ， 关闭了混凝土 压碎选项( 即单轴抗压强度取为 一 1 ) ， 采用多线性随动强化 模型【 I ； 1 5 橡胶集料混凝土本构关系曲线如图2所示， 其 它橡胶集料混凝土的本构关系参考文献 6 。 钢梁( S O L I D 4 5 ) 、 钢筋( L I N K 8 ) 和栓钉( B E A M 1 8 8 ) 本构 关系均采用双线性随动强化模型( B K I N) 。采用 V o n M i s e s 屈服准则。屈服后的应力应变关系简化为平缓的斜直线， 并取 E 。 = 0 0 1 E， 其优点是应力应变关系唯一， 有利于保证 计算的收敛性。 ( 3 ) 混凝土和其它材料的组合。混凝土与钢筋的组 合， 采用分离式位移协调模型， 即利用空间单元 L I N K 8建立 钢筋模型， 和混凝土单元共用节点。混凝土与型钢的组合， 利用非线性接触单元 c o n t a c t l 7 0 ， 1 7 4模拟二者的滑移， 滑移 面摩擦系数设为 O 5 5 。同时在混凝土中相应的位置设置空 间梁单元 B e a m 1 8 8 来模拟栓钉的抗剪， 使得栓钉与混凝土 的节点重合， 采用耦合命令和约束方程使栓钉固定在型钢 上， 从而混凝土和型钢形成一个整体共同作用。 3 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1 2 期( 总第 1 6 2 期) 钢筋混凝土翼板 图l Wi l l a m Wa r n k e 五参数破坏准则 图2 1 5 橡胶集料混凝土本构关系 图3 组合梁示意图 ( 4 ) 建成的 A n s y s 有限元模型。为验证计算结果的正 确性 ， 文中模型取文献 7 所进行的试验中组合梁进行数值 模拟， 建立有限元分析模型如图 4所示。梁相关尺寸如下 ： 混凝土板尺寸： L = 2 1 0 0 m m， b = 4 7 0 m m， h = 7 0 m m； 钢梁 采用宽翼缘异性钢材， 钢梁尺寸： B=1 0 0 m m ， H= 1 0 0 m m ， t 。 =6 ra m， t f=8 ram， A =2 1 9 0 m m ， L =3 8 3 0 0 0 0 mm ， L = 1 3 4 0 0 0 0 mm ， 屈服强度 = 3 6 3 MP a ； 钢筋采用 ， 布置成 7 5 ra m 7 5 m m钢筋网， 屈服强度为 = 4 2 3 M P a ； 剪力连接 件采用 的钢筋， 长度 3 0 ra m， 屈服强度为 = 4 2 3 MP a ， 均 采用完全抗剪， 共有 5 4个剪力连接件。 ( 5 ) 加载方式。采用跨中两点集中加载， 为保证计算 的收敛性， 进行了如下 的设置 ： 启动大应变选项， 选用牛 顿一拉普森非对称算法 ， 力和位移的收敛容差修改为 0 0 5 ， 平衡迭代步数扩大为 1 0 0， 打开 自动时间步长， 增大荷载子 步设为 5 0 0 。 2 计算结果 ( 1 ) 开裂荷载。在纯弯段抗拉能力最薄弱的某一截 面处， 即纵向双排栓钉的根部周围， 当受拉区边缘纤维的拉 应变值到达混凝土极限拉应变 s 时， 会出现第一条裂缝， 一 旦开裂， 梁便从未开裂阶段进入裂缝阶段 ， 混凝土板的裂 缝图见图5 ， Mi s e s 应力图见图6 。 图4 建立 的A NS YS 有限元模型 图5 混凝土板裂缝图 图6 混凝土板M i s e a 应力图 从图5中可以看出， 由于栓钉的作用， 混凝土板纵向已 经裂通而且在加载位置产生了横向裂缝。用有限元软件分 析， 分荷载步施加荷载 ， 然后用插值法反推， 可得到当受拉 区边缘纤维的拉应变 值达到混凝土极限拉应变时， 施加 荷载值的大小即开裂荷载， 分析结果见表 2 。 表2 四类组合粱的开裂荷载 普通混 凝土组 合梁 橡胶集料混凝土组合梁 由表 2可知， 橡胶集料混凝土相对于普通混凝土而言， 由于极限拉应变要大得多 ， 所 以其开裂荷载也相应增大。 橡胶掺量由 1 0 增大到 1 5 时， 混凝土开裂荷载变化很小 由此可以得出， 当橡胶掺量达到一定数量时， 混凝土开裂荷 载将保持在某一固定值而不再增大。 ( 2 ) 极限承载力。在静力加载作用下， 组合梁的破坏 不是由于材料的屈服， 而是 由于材料的纵向开裂导致 的。 从图5 ， 6可以看到 ， 混凝土裂缝最早出现在纵向双排栓钉的 根部周围， 随着荷载的增大， 混凝土板底在集中力的加载点 出现横向裂缝， 当荷载增大到一定程度时， 在混凝土板上部 形成裂缝。最终混凝土板纵向裂通并且在加载位置产生 了 横向裂缝。 表 3 四类组合梁极限承载力 普通混凝土组合梁 橡胶集料混凝土组合梁 由表3可以看出， 橡胶集料混凝土由于抗压强度小于普 通混凝土， 所以其极限承载力也要随之降低。 ( 3 ) 梁跨中节点的挠度。不同橡胶掺量的混凝土组 合梁在达到极限荷载时的挠度 A n s y s 分析值 比较接近， 而 1 5 橡胶掺量混凝土组合梁由于弹性模量小很多， 所以其 跨中挠度相对较大。1 5 橡胶集料混凝土组合梁极限荷载 作用下挠度如图8所示。 吕向堂：荨： 新型混凝土与型钢组合梁非线性分析 3 3 Z 枢 跨 中节 点 位 l 图7 A N S Y $ 计算得出的跨中荷载位移曲 线 表4 四类组合梁达到极限荷载时的最大挠度 普通混凝土组合梁 橡胶集料混凝土组合梁 ( 4 ) 型钢的应力状态。通过上面的分析可以看到混 凝土板中已经布满了裂缝， 混凝土板已经不能够再承受荷 载了， 钢梁的应力状态如图9所示。 q r H t 一， 图8 1 5 橡胶集料混凝土组合梁极限荷载作用下挠度 日 * 删埘 “ #槲 J 3 图9 极限破坏状态下型钢的MI S E S 应力分布图 从图 9可以看出， 型钢只有跨中一小部分已经屈服， 但 是还可以继续承载。这恰恰说 明了构件的破坏是由于混凝 土板的纵向开裂造成的。文献 7 中试验结果发现： 钢混凝 土组合梁在静力荷载作用下， 最终 的破坏不是 由于材料屈 服而是由于混凝土板的纵 向劈裂造成的。从上面的分析可 以看出， 有限元分析的结果与文献 7 的结果是一致。 4结语 ( 1 ) 橡胶集料混凝土与型钢组合梁在静力荷载作用 下 ， 最终的破坏不是由于材料的屈服而是 由于混凝土板的 纵向劈裂造成的。 ( 2 ) 橡胶集料混凝土的极限拉应变较普通混凝土显 著增大 ， 故橡胶集料混凝土组合梁 比普通混凝土组合梁抗 裂性能有了明显的提高， 可 以有效地解决组合梁混凝土翼 板纵向开裂的问题， 可以作为性能良好的桥面板材料。 ( 3 ) 在极限荷载作用下 ， 橡胶集料混凝土组合梁的挠 度要大于普通混凝土组合梁， 说明前者在受拉时可以产生 更大的变形， 在破坏时表现出较普通混凝土组合梁更好 的 延性， 显著改善普通混凝土组合梁脆性破坏的特点。 ( 4 ) 当掺有橡胶集料的混凝土位于受拉区时， 相同应 力条件下应变值大于普通混凝土， 说明橡胶集料混凝土组 合梁较普通混凝土组合梁， 吸收能量的能力显著增强， 对于 冲击荷载和地震作用的抵抗能力有明显的改善和提高 ， 可 以广泛应用于承受车辆荷载的桥梁。 参考文献 1 H e m a n d e z O l i v a r e s F ， B a r l u e n g a G ， Wit o s z e k B S t a ti c a n d d y n a m i c b e h a v i o r o f r e c y c l e d t y r e r u b b e r fi l l e d c o n c r e t e J c e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 5 8 71 5 9 6 2 张军， 朱涵橡胶集料钢筋混凝土剪力墙矩形截面墙肢正截 面承载力探讨 J 低温建筑技术， 2 0 0 6 ， ( 5 ) ： 5 1 5 3 3 张军， 朱涵 橡胶集料混凝土与钢筋的粘结性能试验研究 J 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