新型混凝土與型鋼組合梁非線性分析

1、呂向堂等：新型混凝土與型鋼組合梁非線性分析3l圈新型混凝土與型鋼組合梁非線性分析呂向堂，韓慶華I1天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津300072；2濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)窒(天津大學(xué))。天津300072)【摘要】考慮了四種不同橡膠摻量的新型混凝土組合梁，運(yùn)用有限元軟件ANSYS在靜力加載作用下對(duì)四種組合梁進(jìn)行雙重非線性分析，得到構(gòu)件的開裂荷載，極限承載力，跨中節(jié)點(diǎn)撓度，著重對(duì)橡膠集料混凝土組合梁和普通混凝土組合梁的力學(xué)性能作對(duì)比分析

2、。分析表明，橡膠集料混凝土組合梁的開裂荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土組合梁，前者吸收能量的能力較后者顯著增強(qiáng)，對(duì)于沖擊荷載和地震作用的抵抗能力有明顯的改善和提高，而隨著橡膠集料摻量的增加，組合梁的極限承載力有小幅度的降低?！娟P(guān)鍵詞】橡膠集料混凝土組合梁；開裂荷載；極限承載力；跨中撓度；非線性有限元【中圖分類號(hào)】TU3751【：獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1001—6864(2011)12—0031—03隨著大型結(jié)構(gòu)橋梁和超高層建筑的增多，對(duì)輕集料混

3、凝土的需求與日俱增。橡膠集料混凝土也稱橡膠改性混凝土或彈性混凝土，是一種由橡膠集料、水泥漿體、礦物摻合料、外加劑以及普通混凝土骨料組成的多相水泥基復(fù)合材料，是在原有多組分混凝土基礎(chǔ)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。其中的橡膠集料是指由廢棄輪胎以及非輪胎的橡膠制品，如膠帶、廢橡膠膠管等廢橡膠制品經(jīng)加工而得到的橡膠微顆粒，因此橡膠集料混凝土也是一種環(huán)境友好型綠色材料。橡膠集料混凝土具有耐磨性好，抵抗車載能

4、力強(qiáng)，振動(dòng)、噪聲小，不翹曲，抗裂性強(qiáng)，防銹性好，出色的抗?jié)B性等特點(diǎn)，同時(shí)具有明顯能量耗散的功能Ll3]，因此可作為性能良好的橋面板混凝土材料，尤其可以有效解決組合梁混凝土翼板縱向開裂問題。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)組合梁及剪力連接件的研究主要集中在試驗(yàn)方面，雖然也制定一些理論研究和設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于世界各地材料的差異性以及各國(guó)工程實(shí)際的不同，尚缺乏比較系統(tǒng)的理論分析、精細(xì)的有限元數(shù)值分析及簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)橡膠集料混凝土組合梁的

5、研究近乎空白，因此有必要通過數(shù)值分析的方法來研究這種組合梁的力學(xué)性能。文中考慮了四種類型的試件，分別為普通混凝土組合梁，5％、10％和15％三種不同橡膠摻量混凝土組合梁，四種試件均采取完全抗剪連接，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了這四種構(gòu)件在靜力荷載作用的開裂荷載，極限承載力，跨中節(jié)點(diǎn)撓度，著重對(duì)橡膠集料混凝土組合梁和普通混凝土組合梁的力學(xué)性能作對(duì)比分析。1模型的建立采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模，共分析了四種不同橡膠摻量

6、的混凝土與型鋼組合梁，混凝土的抗拉壓強(qiáng)度，彈性模量，密度等參數(shù)選用文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。(1)單元類型的選取。計(jì)算中對(duì)鋼梁采用SOLID45[基金項(xiàng)目]天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(N011JCZDJC24000)單元，對(duì)混凝土采用SOLID65單元，縱筋采用LINK8，栓釘采用BEAMl88。表1四類的混凝土的ANSYS建模計(jì)算參數(shù)(2)材料本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則。普通混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Willam—Wamke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，混凝土張開裂

7、紋傳遞系數(shù)取為05，閉合裂紋傳遞系數(shù)取10，關(guān)閉了混凝土壓碎選項(xiàng)(即單軸抗壓強(qiáng)度取為一1)，采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型【I；15％橡膠集料混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線如圖2所示，其它橡膠集料混凝土的本構(gòu)關(guān)系參考文獻(xiàn)[6]。鋼梁(SOLID45)、鋼筋(LINK8)和栓釘(BEAM188)本構(gòu)關(guān)系均采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)。采用VonMises屈服準(zhǔn)則。屈服后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為平緩的斜直線，并取E。=001E，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系唯一，有利

8、于保證計(jì)算的收斂性。(3)混凝土和其它材料的組合。混凝土與鋼筋的組合，采用分離式位移協(xié)調(diào)模型，即利用空間單元LINK8建立鋼筋模型，和混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)?；炷僚c型鋼的組合，利用非線性接觸單元contactl70，174模擬二者的滑移，滑移面摩擦系數(shù)設(shè)為O55。同時(shí)在混凝土中相應(yīng)的位置設(shè)置空間梁?jiǎn)卧狟eam188來模擬栓釘?shù)目辜簦沟盟ㄡ斉c混凝土的節(jié)點(diǎn)重合，采用耦合命令和約束方程使栓釘固定在型鋼上，從而混凝土和型鋼形成一個(gè)整體共同作用。

9、呂向堂：蕁：新型混凝土與型鋼組合梁非線性分析33Z樞跨中節(jié)點(diǎn)位‰『Ⅲl圖7ANSY$計(jì)算得出的跨中荷載位移曲線表4四類組合梁達(dá)到極限荷載時(shí)的最大撓度普通混凝土組合梁橡膠集料混凝土組合梁(4)型鋼的應(yīng)力狀態(tài)。通過上面的分析可以看到混凝土板中已經(jīng)布滿了裂縫，混凝土板已經(jīng)不能夠再承受荷載了，鋼梁的應(yīng)力狀態(tài)如圖9所示?！駋rHt一，圖815％橡膠集料混凝土組合梁極限荷載作用下?lián)隙热铡畡h塒“#槲“■J3●圖9極限破壞狀態(tài)下型鋼的MISES應(yīng)力分布

10、圖從圖9可以看出，型鋼只有跨中一小部分已經(jīng)屈服，但是還可以繼續(xù)承載。這恰恰說明了構(gòu)件的破壞是由于混凝土板的縱向開裂造成的。文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼混凝土組合梁在靜力荷載作用下，最終的破壞不是由于材料屈服而是由于混凝土板的縱向劈裂造成的。從上面的分析可以看出，有限元分析的結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果是一致。4結(jié)語(yǔ)(1)橡膠集料混凝土與型鋼組合梁在靜力荷載作用下，最終的破壞不是由于材料的屈服而是由于混凝土板的縱向劈裂造成的。(2)橡膠集料混凝

11、土的極限拉應(yīng)變較普通混凝土顯著增大，故橡膠集料混凝土組合梁比普通混凝土組合梁抗裂性能有了明顯的提高，可以有效地解決組合梁混凝土翼板縱向開裂的問題，可以作為性能良好的橋面板材料。(3)在極限荷載作用下，橡膠集料混凝土組合梁的撓度要大于普通混凝土組合梁，說明前者在受拉時(shí)可以產(chǎn)生更大的變形，在破壞時(shí)表現(xiàn)出較普通混凝土組合梁更好的延性，顯著改善普通混凝土組合梁脆性破壞的特點(diǎn)。(4)當(dāng)摻有橡膠集料的混凝土位于受拉區(qū)時(shí)，相同應(yīng)力條件下應(yīng)變值大于普通

12、混凝土，說明橡膠集料混凝土組合梁較普通混凝土組合梁，吸收能量的能力顯著增強(qiáng)，對(duì)于沖擊荷載和地震作用的抵抗能力有明顯的改善和提高，可以廣泛應(yīng)用于承受車輛荷載的橋梁。參考文獻(xiàn)[1]Hemandez—OlivaresF，BarluengaG，WitoszekBStaticanddy—namicbehaviorofrecycledtyrerubber—filledconcrete[J]ce—mentandConcreteResearch2002

13、，32(10)：1587—1596[2]張軍，朱涵橡膠集料鋼筋混凝土剪力墻矩形截面墻肢正截面承載力探討[J]低溫建筑技術(shù)，2006，(5)：51—53[3]張軍，朱涵橡膠集料混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J]建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27：906～910[4]聶建國(guó)鋼一混凝土組合梁結(jié)構(gòu)[M]北京：科學(xué)出版社。2005[5]朱聘儒鋼一混凝土組合梁設(shè)計(jì)原理[M]北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989[6]王慶余橡膠集料鋼筋混凝土疊合梁受彎性能有

14、限元分析[D]天津：天津大學(xué)，2009[7]JYRichardYen，YichingLin，LaiMCompositebeamssubjectedtostaticandfatigueloads[J]JournalofStructuralEngineering，1997，765—771[8]胡夏閩，史東峰組合梁的物理非線性分析[J]南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，(2)：12—19[9]江見鯨，陸新征，葉列平混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M]北京