大跨度开口钢箱-混凝土组合箱梁有限元参数分析.pdf
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1、第 9卷第 1期 2 0 1 2年 2月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L WAY SCI ENCE AND ENGI NEERI NG V OI 9 NO 1 F e b 2 0 1 2 大跨度开 口钢箱 一混凝土组合箱梁有限元参数分析 周凌宇 。 贺桂超 ( 中南大学 土木工程 学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要: 基于钢 一混凝土组合箱梁的试验研究, 利用有限梁段法对考虑滑移剪切的组合箱梁进行非线性有限元分析 , 分析 结果与试验结果吻合 良好 。在此基础上对影响组合箱 梁力学性 能 的主要 因素, 即剪力连接度 、 腹板 高厚 比、 力比和初始
2、不 平整度等进行有限元参数分析。得到不同设计参数对组合箱梁承载力、 刚度、 滑移、 剪力滞后等力学性能的影响规律。 关键词: 钢 一混凝土组合箱梁; 有限元; 滑移; 参数分析; 极限承载力 中图分类号 : T U 3 1 7 1 ; U 4 4 8 2 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 5 0 7 P a r a me t r i c a n a l y s i s o f l o n g s p a n s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b o x b e a
3、 m Z HOU L i n g y u,HE Gu i c h a o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : B a s e d o n t h e e x p e ri me n t a l r e s e a r c h o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e b
4、o x b e a m,w i t h fi n i t e e l e me n t s o ft - wa r e CBAP1 0,a s e rie s o f c o mp o s i t e b o x b e a ms a r e a n a l y z e d f o r t he s l i p a nd s he a r T he r e s u l t s o f a n a l y s i s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h o s e o f e x pe rime n t s On t h i s b a s
5、 i s,pa r a me t ric a n a l y s i s wi t h de g r e e s o f s h e a r c o fl n e e t i o n,r a t i o o f h e i g h t t o t h i c k n e s s o f w e b,f o r c e r a t i o n a n d i n i t i a l d e g r e e o f n o np l a n e , wh i c h h a v e i n fl u e n c e u p o n t h e me c h a n i c p e r f o r
6、ma n c e o f c o mp o s i t e b o x b e a m ,i s c o n d u c t e dI t i s s h o wn b y t h e r e s u l t t h a t t h e d i f f e r e n t d e g r e e s o f s h e a r c o n n e c t i o n,r a t i o o f h e i g h t t o t h i c k n e s s o f we b a n d i n i t i a l d e g r e e o f n o np l a n e h a v e
7、 a g r e a t i m p a c t o n t h e s t r e n g t h,s t i f f n e s s a nd s l i p o f c o mp o s i t e b o x b e a m ,h o we v e r,f o r c e r a t i o n i s l e s s s i g n i fic a nc e Ke y wo r d s: s t e e lc o n c r e t e c o mp o s i t e bo x be a m ;fin i t e e l e me n t ;s l i p;p ara me t r
8、ic a na l y s i s;u l t i ma t e c a pa c i t y 钢 一 混凝土组合箱梁是在钢结构和混凝土结 构 、 薄壁箱梁结构基础上发展起来的一种新型结构 形式 , 由上部钢筋混凝土板 ( 或 预应力混凝 土板 ) 和下部钢箱梁组成 。混凝 土板和钢箱梁之间通过 剪力连接件进行连接 。由于其具有 自重轻、 增加有 效使用空间、 减少用钢量、 增大结构刚度与稳定性 的优点, 组合箱梁在工程实践中得到广泛应用。 目前对于组合梁在抗 弯承载力 j 、 纵 向抗 剪 J 、 栓钉连接件的抗剪承载力 、 刚度 和滑移 效应 5 - 6 等理论和试验上进行了比较系统的研究
9、, 但主要集中在工字型组合梁上, 对于组合箱梁的研 究却很少。组合箱梁剪力连接度、 腹板高厚比、 力 比和初始不平整度是影响其静力性能的重要参数。 钢梁腹板弯曲应力、 剪应力和不均匀压应力作用下 的局部屈曲承载能力与高厚比有密切的关系, 我国 现行国家标准 钢结构设计规范 中关于钢梁在弯 曲应力作用下的强度计算则考虑 了截面部分进入 塑性状态( 直接动力荷载作用除外) , 这样将使组 合梁的计算结果偏于不安全, 同时, 没有考虑混凝 土板对钢梁稳定的有利作用。另一方面, 钢梁屈曲 后强度性能如何, 在组合梁的研究中尚属空白。同 时, 实际工程中板件不可避免地存在初始挠曲钢梁 收稿 日期 : 2
10、 0 1 2 0 21 4 基金项目: 国家自然科学基金资助项 目( 5 0 7 0 8 1 1 2 ) 作者简介: 周凌宇( 1 9 7 3 一) , 男, 湖南长沙人, 副教授, 博士, 从事组合结构的研究与设计 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年2月 初始挠度将降低组合梁的失稳临界荷载, 使组合梁 更容易发生屈曲失稳, 同时产生次内力, 降低构件 承载力 。目前 尚未有初始挠曲对组合箱梁受力性 能的研究。 更重要的是, 对于组合梁, 在负弯矩区截面, 由 于混凝土开裂退出工作 , 混凝土板中所配钢筋与钢 梁起决定性作用 , 组合梁中负弯矩区中配筋量对钢 梁受压区高度
11、起重要作用, 因此力比将成为影响组 合箱梁局部屈 曲和极限承载力的重要 因素。到 目 前为止, 尚未有关力比对组合箱梁负弯矩作用下极 限承载力影响研究的报道。 本文建立有限元分析模型, 通过试验进行了模 型验证。通过大量实体模型计算, 对组合箱梁进行 正 、 反向加载 , 模拟箱梁在正弯矩和负弯矩影响作 用下 , 剪力连接度 、 腹板高厚 比、 力 比和初始不平整 度对组合箱梁强度、 刚度等静力性能的影响。 1 有限元计算模型及其试验验证 1 。 1 有限元分析模型 组合箱梁主要组成部分为钢箱梁和混凝土板。 简支组合箱梁的钢底板在荷载作用下将承担拉应 力 。 腹板将承担大部分的剪力和正应力 ,
12、 在一定 的 截面特性时, 还将承担压应力; 混凝土承担弯曲正 应力、 横向弯曲应力和部分剪应力。 文献 6 在箱梁空间分析的基础上, 放弃周边 不变形假定, 考虑板件局部变形和组合箱梁界面滑 移效应, 建立组合箱梁梁段空间位移模型, 并考虑几 何非线性和材料非线性, 利用势能驻值原理推导组 合箱梁的“ 梁段有限元法” 。在此基础上 , 编制 了相 应的组合箱梁非线性空间有限元程序 C B A P 1 0 , 并 与试验结果进行比较。利用该程序进行了实体模型 计算。实体模型标准设计如图1 所示, 跨度为4 0 0 0 m m, 混凝土弹性模量为 3 2 5 N m m 2 1 0 N 咖 ,
13、泊松 比 O 2 ; 钢 材弹性 模 量为 2 N n u n 1 0 N m ln , 泊松比为0 3 , 跨中承受集中荷载。 1 2 分析结果和试验验证 图2为跨中截面有限元计算与试验实测的荷 载 一挠度曲线。从中可以看出, 在弹性阶段 2条曲 线几乎完全重合 ; 在进入塑性 阶段后开始分离 , 尤 其是当试验加载至后期混凝土开裂时 , 结构刚度退 化, 曲线出现下降段, 有限元计算中由于未考虑材 料退化 , 导致刚度变化不大。但在模型达到极限承 载力之前 , 有限元计算结果与实测值吻合 良好 。 图 1 组舍箱粱计算模 型 F i g 1 C a l c u l a t i o n mo
14、 d e l o f b o x b e a m 图2 荷栽 一挠度曲线 F i g 2 L o a dd e f l e c t i o n c u r v e s 图 3 荷载 一滑移 曲线 F i g 3 L o a ds l i p c u r v e s 第 1期 周凌宇, 等: 大跨度开口钢箱 一混凝土组合箱梁有限元参数分析 7 图 3为钢箱梁和混凝 土板界面滑移 的试验曲 线和有限元计算曲线。从中可以看出, 在弹性阶段 2条曲线几乎完全重合 ; 在加载后期 , 试 验 曲线 由 于混凝土开裂刚度退化依然出现下降段 , 但在此之 前, 有限元计算值与实测结果相差很小, 结果合理 有
15、效 。 综上分析, 本文 的有限元分析模型在承载力 、 挠度和滑移等方面与试验结果虽然有 一些小 的差 异 , 但总体上吻合 良好 , 因此可作为后 续参数分析 的基础 。 2 剪力连接度对组合箱梁性能影响 剪力连接度定义为 : 组合箱梁中实际所需栓钉 数量与完全剪力连接时所需数量的比值 。表达式 为: A = N ( 1 ) 式 中: 为箱梁实际所用栓钉数量 ; , 为箱梁完全 剪力连接所用栓钉数量。 本文对正 、 负向加载各 l 2榀不 同剪力连接度 的简支组合箱梁进行非线性单调加载全过程仿真 分析, 其中, 腹板高厚比为 5 0 , 力比为0 0 9 , 初始不 平整度为 0 , 剪力连
16、接度从 0变化至 I 6 2 。正 、 反 向逐步加载过程 中, 随着剪力连接度 的增大 , 组合 箱梁屈服强度和极限荷载明显提高, 挠度则显著减 小 , 延性 良好 , 屈服后刚度提高。当达到完全剪力 连接后 , 承载力几乎不再提高。反向加载其继续承 载力小于正向加载。 图4为组合箱梁承载力和剪力连接度的关 系 曲线 。从图中可以看 出, 随着剪力连接度 的增大 , 组合箱梁屈服荷载和极限荷载均随之增大。在剪 力连接度较小时, 承载力增长较快 ; 在接近和达到 完全剪力连接后 , 承载力增长趋缓 , 说明继续增大 剪力连接度对提高组合箱梁承载力的效果不明显。 正、 反向加载对屈服荷载影响不大
17、, 而极限荷载则 相差较大。主要在反向荷载时, 混凝土受拉开裂 , 完全退出工作 , 荷载 由钢箱梁承担 , 因此其承载力 减小。 图5为组合箱梁刚度影响系数和剪力连接度 的关系曲线。刚度影响系数为不同剪力连接度时 箱梁计算刚度与按换算截面法和经典梁理论计算 得到的完全剪力连接度时 的组合箱梁抗弯刚度 的 比值。从图中可 以看出, 随剪力连接度的增大 , 箱 梁刚度开始快速增长 , 而后逐渐变慢。主要原 因为 剪力连接度较小时 , 栓钉不足以抵抗外荷载 , 产生 较大变形, 致使钢箱梁与 昆 凝土板界面产生较大滑 移 , 结构刚度较小 ; 随着剪力连接度的增大 , 界面滑 移减小 , 结构刚度
18、逐渐增大。而正 、 反向加载对结 构刚度的影响较小 。 图 4承载力 一剪力连接度 关 系曲线 F i g 4 C u r v e s o f b e a r i n g c a p a c i t yd e g r e e o f s h e a r c o n n e c - t i o n 巅 垛 定 赫 越 萎 图 5刚度影 响 系数 一剪力连接度 关系曲线 F i g 5 C u rve s f o r f a c t o r o f s t i f f n e s sd e g r e e o f s h e a r c o n - n e c t i on 图 6为不 同剪力连接
19、程度作用下箱梁支座处 的荷载 一 滑移曲线。从图中可以看出, 随荷载增 大, 滑移量逐渐增大。当剪力值达到其屈服剪力 时, 栓钉屈服; 同时, 随着剪力连接程度的增大, 栓 钉的极限滑移量明显减小 , 栓钉的屈服荷载和极限 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年2月 荷载明显增大。剪力连接度较小时 , 正、 反 向加载 对滑移影响较小; 当达到或超过完全剪力连接时, 反向加载时由于混凝土开裂, 界面滑移较正向加载 大。 图7为剪力滞系数与剪力连接度的关系曲线。 从图中可以看出 , 随剪力连接度的增大 , 通过剪力 连接件传递到混凝土板中的轴向力逐渐增大, 剪力 滞系数从 1
20、逐渐增大, 当剪力连接度大于0 8 后, 组合箱梁逐渐接近完全剪力连接, 剪力滞系数趋于 稳定, 与连接度不相关。反向加载时, 混凝土开裂, 钢筋内力重分布, 其剪力滞系数小于正向加载。 图6 不同剪力连接度荷载一滑移曲线 F i g 6 L o a ds l i p C H I V E S o f d i ffe r e n t s h e a r c o n n e c t i o n 剪力连接度 图7 剪力滞系数 一剪力连接度曲线 F i g 7 C u r v e s f o r f a c t o r o f s l i pd e g r e e o f s h e ar c o n
21、 n e c t i o n 3 高厚比的影响 现行钢结构设计规范中, 保证构件局部稳定的 方法是限制板件的高厚比。第一, 根据等稳性原则 使板件的局部屈曲不发生在构件的整体失稳之前。 但是板件的局部失稳临界荷载于其屈曲系数有关, 而屈曲系数取决于板件的边界条件。由于其往往 和板件的实际边界条件以及受力状态有一定的差 距, 故板件的临界力难以准确取得。第二, 工程中 大量使用的组合箱梁属于薄壁构件。板件的初始 局部屈曲不可避免。即使在板件规定的高厚比范 围内, 在构件整体屈曲的同时 , 也将伴 随板件的局 部屈曲 j 。因此, 组合箱梁的计算必须考虑局部 和整体屈曲的相关作用, 需要研究板件高
22、厚比对整 体极限承载力的影响。 目前各国规范均对组合梁腹板高厚比进行了 限制。欧洲组合结构规范( E C 4 ) 根据组合梁试验 的负弯矩截面弯矩曲率关系根据腹板高厚比将截 面分为 4类。然而 , 不同高厚比对组合箱梁屈服强 度和极限强度的影响却 尚未有报道。本文将考虑 相关屈曲影响 , 对不 同腹板高厚 比正 、 反向加载简 支组合箱梁承载力进行分析 。研究不 同腹板高厚 比对结构承载力的影响程度。 板件在规定的高厚 比范围内, 整体屈曲的同 时, 也伴随着板件的局部屈曲, 因此组合箱梁必须 考虑局部和整体屈曲的相关作用, 研究板件高厚比 对整体受力性能的影响。 对 1 4榀不 同腹板高厚
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