李佳躍++張會(huì)峰++張申

【摘 要】首先對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)成以及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述，其次介紹了有限元模型的單元類型，混凝土材料模型以及鋼筋鋼板材料模型。然后列舉了鋼板錨固長(zhǎng)度有限元模型的具體尺寸。最后給出模型的加載結(jié)果，結(jié)合混凝土與鋼板的應(yīng)力云圖，分別分析了在加載過(guò)程中混凝土與鋼板的特點(diǎn)。通過(guò) ABAQUS軟件對(duì)已建立模型的數(shù)值模擬，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理，給出模型加載端的荷載-滑移曲線。

【關(guān)鍵詞】型鋼混凝土； ABAQUS應(yīng)用； 應(yīng)力應(yīng)變

引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是以型鋼或用鋼板焊接為鋼骨架，并在周圍配置鋼筋以及內(nèi)部澆筑混凝土的一種組合結(jié)構(gòu)" （Steel Reinforeed Conerete ComPosite Structures）（簡(jiǎn)稱SRC組合結(jié)構(gòu)），具有延性大，耗能高的優(yōu)點(diǎn)。由于在混凝土中主要配置的是型鋼，使這兩種不同性能的材料形成整體而共同受力、變形協(xié)調(diào)[1]，克服了以往鋼筋混凝土的許多弱點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)的性能得到進(jìn)一步的改善，同時(shí)型鋼在混凝土的保護(hù)下也得到了充分的發(fā)揮”。

一、材料參數(shù)及模型尺寸

（一）單元類型

為了更好的模擬鋼板與混凝土的粘結(jié)作用，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外有限元分析資料[2] 表明，混凝土單元采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元（C3D8R），鋼板采用六面體單元，鋼筋采用三維二結(jié)點(diǎn)桁架單元 （ T3D2 ） 。

（二）材料模型

1.混凝土材料模型。

混凝土的單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用江見(jiàn)鯨等給出的本構(gòu)關(guān)系。在定義混凝土材料時(shí)根據(jù)給定數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用一系列直線來(lái)平滑逼近塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。混凝土受拉開(kāi)裂應(yīng)變?nèi)?，受壓峰值?yīng)變?nèi)?. 002?；炷猎贏BAQUS中的參數(shù)輸入見(jiàn)表1。

當(dāng)粘滯參數(shù)采用ABAQUS提供的缺省值時(shí)，計(jì)算的收斂性較差，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]中的建議，取粘滯參數(shù)和剪漲角。

2.鋼筋與鋼板材料模型。

考慮鋼筋與鋼板的硬化，兩者均采用雙線性彈塑性材料，鋼板彈性模量，鋼筋的彈性模量，泊松比。屈服應(yīng)變?nèi)?. 0016，極限應(yīng)變?nèi)?. 025。

3.非線性彈簧單元。

為全面考慮型鋼混凝土連接面上的相互作用，在ABAQUS有限元分析中，可以在型鋼與混凝土連接面上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間采用三個(gè)非線性彈簧單元單元來(lái)模擬型鋼與混凝土之間的粘結(jié)-滑移現(xiàn)象，分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用[4]。

（三） 模型尺寸

型鋼由兩塊厚鋼板焊接組合而成，型鋼的截面尺寸截面高度，翼緣厚度，腹板厚度，腹板高度，鋼板長(zhǎng)度，型鋼混凝土試件中型鋼的埋置長(zhǎng)度均為，鋼板上下各留，混凝土尺寸為?；炷恋燃?jí)為，縱筋為4C10，箍筋為C8@100，鋼板為。鋼筋保護(hù)層為，鋼板保護(hù)層為。

（四）加載制度設(shè)定及網(wǎng)格劃分

在ABAQUS軟件中采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載6由小到大[5]，鋼筋屈服或試件破壞時(shí)軟件模擬加載結(jié)束。按軟件要求給模型劃分網(wǎng)格。

三、有限元模擬加載結(jié)果

（一）混凝土的應(yīng)力應(yīng)變

觀察混凝土內(nèi)部剖面的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)混凝土產(chǎn)生應(yīng)力的范圍比較均勻，但是靠近鋼板的中上部范圍內(nèi)有更大的應(yīng)力，并且隨著型鋼錨固長(zhǎng)度的增加，型鋼混凝土的應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，超過(guò)一定長(zhǎng)度后，型鋼混凝土應(yīng)力云圖出現(xiàn)很小的壓應(yīng)力，表明此處的粘結(jié)己基本不起作用了。此外，還可以看出越靠近加載端，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，粘結(jié)應(yīng)力降低比較明顯。

混凝土在中上部應(yīng)力較小，反而在中下部尤其是推出端應(yīng)力分布范圍大，應(yīng)力值大。原因是在混凝土中上部粘結(jié)力的化學(xué)膠結(jié)力和摩擦阻力部分已經(jīng)達(dá)到最大值，剩下的粘結(jié)力應(yīng)該由型鋼表面粗糙不平所產(chǎn)生的機(jī)械咬合力提供。

（二）鋼板的應(yīng)力應(yīng)變

鋼板的云圖與混凝土的云圖有很大的不同，鋼板的應(yīng)力分布更明顯，而且是對(duì)稱分布，大小差別明顯，從加載端到推出端依次減小，加載端應(yīng)力最大達(dá)到，與混凝土接觸的推出端應(yīng)力僅僅。從增大粘結(jié)應(yīng)力角度看，適當(dāng)在鋼板上設(shè)置連接件、端板在理論上應(yīng)該效果明顯。

四、模型的荷載-滑移曲線

圖1為計(jì)算模型的加載端荷載與加載滑移的關(guān)系曲線。如圖所示，加載初期，試件加載端發(fā)生滑移，滑移呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)荷載達(dá)到30%極限荷載時(shí)，加載端滑移開(kāi)始非線性增長(zhǎng)，位移達(dá)到。大約直至80%極限荷載時(shí)，加載端位移達(dá)到，自由端出現(xiàn)滑移，化學(xué)膠結(jié)力全部喪失。荷載繼續(xù)增大，混凝土產(chǎn)生裂縫。隨荷載增大，裂縫也沿著試件長(zhǎng)度方向延伸，直至達(dá)到極限荷載。此后荷載陡然下降，滑移趨于穩(wěn)定的殘余值。觀察荷載-滑移曲線的幾個(gè)階段，可以發(fā)現(xiàn)在位移達(dá)到最大位移之前，荷載也在逐漸增大，并且在位移最大時(shí)同時(shí)達(dá)到最大值。這個(gè)過(guò)程中化學(xué)膠結(jié)力和摩擦阻力起作用，在隨后的滑移加大過(guò)程中，剩下的粘結(jié)力應(yīng)該由型鋼表面粗糙不平所產(chǎn)生的機(jī)械咬合力提供。所以適當(dāng)?shù)脑O(shè)置連接件或者端板，應(yīng)該對(duì)提高鋼板與混凝土的粘結(jié)作用效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]江見(jiàn)鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2005.

[3]賴少穎.考慮粘結(jié)滑移作用的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析[D].深圳： 深圳大學(xué)，2013.

[4]秦苗珺，趙芳慧，葛楠等.基于ABAQUS的鋼板錨固長(zhǎng)度對(duì)混凝土-鋼板組合連梁抗震性能影響分析[J].工程抗震與加固改造，2015，37（5）：21-27.

[5]張亞.T型鋼與混凝土粘結(jié)滑移性能的理論分析及ANSYS程序驗(yàn)證[D]；陜西：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.endprint