钢筋混凝土组合梁的ANSYS有限元程序验证_精品文档资料下载.pdf
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有限元;
滑移模型中图分类号:
U442.5文献标识码:
A文章编号:
1001005X（2010）0407205VerificationonANSYSFiniteElementProgramofSteel-ConcreteCompositeBeam/ZhangXuhong，DongYan-qiu（HeilongjiangInstituteofEngineering，Harbin150050）Abstract:
Steel-concretecompositebeamisakindofflexuralmembercomposedbysteelbeamandconcreteslabcon-nectingtogetherviashearconnectorwithgoodmechanicalperformanceCurrentcompositebeamiswithpartialshearcon-nectiondesignbuttheslipeffectismoreprominentThisarticlemadeabasicintroductionaimingattheunittypesandma-terialpropertieswhichwereusedinthefiniteelementanalysisTheselectedfiniteelementmodelwasverifiedtoreflectthenonlinearnatureofconcreteandsteel，andtheslipbehaviorbetweenconcreteslabandsteelgirderperfectlyThecasea-nalysisresultsshowedthattheprocessofcompositebeamusingANSYSfiniteelementanalysismethodwasfeasibleKeywords:
compositebeam;
finiteelement;
slipmodel收稿日期:
20100201第一作者简介:
张旭宏（1972），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，讲师。
研究方向:
结构工程。
本文采用有限元分析方法对组合梁的工作性能，主要侧重于使用阶段的变形、极限状态下的承载力、钢梁与混凝土板间的滑移效应进行模拟分析。
模型中假设在达到承载力极限状态之前钢梁不发生屈曲，并按小变形假设进行分析。
材料的本构关系和滑移曲线等参数均根据相关实验及理论公式得到，以反映混凝土开裂、钢材屈服及栓钉变形等非线性特性。
目前，商业化的有限元软件已经发展比较成熟，应用日趋广泛。
本文采用ANSYS8.0大型通用有限元软件，对组合梁进行三维非线性分析。
1有限元模型混凝土采用8节点Solid65实体单元建模。
该单元能够模拟混凝土的拉裂和压碎效应，还可以用加筋功能建立钢筋混凝土模型。
单元由8个节点定义，每个节点有三个自由度。
钢梁采用4节点的Shell43塑性大应变壳单元建模。
该单元每个节点有平动和转动共6个自由度，并具有塑性、应力刚化、大变形和大应变等功能。
栓钉纵向抗剪作用由Combin14弹簧阻尼单元或Combin39非线性弹簧单元模拟。
Combin14单元为线性弹簧单元，通过定义弹簧刚度系数K来模拟栓钉变形。
如果考虑栓钉非线性特性，模型中则使用Combin39非线性弹簧单元。
纵向钢筋采用Link8三维杆单元建模。
该单元是杆轴方向拉压单元，每个节点具有三个平动自由度。
单元不承受弯矩和剪力作用，具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能。
当考虑钢筋与混凝土之间滑移时，单元节点通过弹簧单元与混凝土节点相连接;
当忽略滑移效应时，钢筋与混凝土单元节点直接耦合。
现有文献1表明，组合梁在外荷载作用下钢梁和混凝土板之间会发生分离即掀起趋势，同时在栓钉内会产生一定拉力，这一点与推出试验中栓钉的受力状态有所不同。
但这种作用相对于纵向滑移等其它作用，对组合梁整体性能的影响较小，栓钉内的拉力也很小。
同时考虑到有限元分析采用是小变形假定，因此建模时直接将混凝土板与钢梁上翼缘相邻节点横向与竖向自由度耦合而忽略了掀起作用。
第4期张旭宏等:
钢筋混凝土组合梁的ANSYS有限元程序验证横向钢筋对组合梁的纵向抗剪能力能够发挥很大作用，同时能显著提高混凝土板横向刚度和承载力。
有限元模型采用Solid65单元中弥散钢筋模拟横向钢筋，这种方法不能反映横向钢筋对组合梁纵向抗剪能力提高作用（弥散型钢筋没有抗剪能力），但可以提高混凝土板强度和刚度，当荷载直接作用于混凝土板时有利于保证计算的收敛性2。
2钢梁与混凝土板间滑移模型已有研究成果提出了多种栓钉纵向剪力滑移曲线。
其中应用比较广泛为Ollgaard于1971年提出的模型，公式形式如下:
V=Vu（1e1s）m，
（1）式中:
Vu为栓钉的极限承载力，N;
S为滑移，mm;
m、n为不同学者提出的参数;
公式提出栓钉荷载滑移曲线如图1所示。
图1栓钉刚度曲线Fig.1Stiffnesscurveofpeg在分析中采用模型栓钉布置情况如图2所示，且在正、负弯矩作用下取用相同的滑移关系曲线。
图2钢梁与混凝土板之间的剪切滑移模型Fig.2Shearslipmodelbetweensteelbeamandconcreteslab对于栓钉极限滑移能力，一般可达栓钉直径的30%，其计算式为:
sm/ds=0.450.0021fc，
（2）式中:
sm为表示极限滑移值，mm;
ds为表示栓钉直径，mm。
一般情况下有限元分析得到滑移量均不超过此限值，因此在建模过程中未考虑栓钉破坏准则。
3计算程序验证文献35分别对正、负弯矩作用下的简支组合梁进行了试验研究。
选择其中两组试件SCB23、SCB24和SB7、SB8进行ANSYS模拟分析。
试件加载简图如图3和图4所示。
图3正弯矩作用下加载图（mm）Fig.3Loadinggraphunderpositivebendingmoment（mm）图4负弯矩作用下加载图（mm）Fig.4Loadinggraphundernegativebendingmoment（mm）组合梁试件中的钢梁均采用I20a轧制工字型钢，材质为Q235;
剪力连接件采用D16栓钉，沿梁轴线单排、均匀布置。
试件的截面尺寸和材料参数见表1和表2。
表中:
bc、hc为混凝土板宽度和高度;
fsy为钢梁的屈服强度;
fry为纵向钢筋屈服强度;
fcu为混凝土立方体（150150150mm3）强度;
N和Nf分别表示剪跨内实际布置的栓钉个数和按照完全剪力连接设计时所需栓钉的个数，N/Nf表示剪力连接程度系数。
3.1ANSYS分析3.1.1单元类型选取对混凝土板模拟采用Solid65单元;
对钢梁模拟采用Shell43单元;
对栓钉连接件模拟采用Combin39非线性弹簧单元;
对纵向钢筋模拟采用Link8单元。
3.1.2几何模型建立I20a轧制工字型钢的截面尺寸如图5所示，组合梁的几何模型如图6所示。
3.1.3有限元模型建立不同组合梁试件中剪力连接件配置情况，在布置连接件单元时，模型网格在横向划分有所不同，在纵向保持一致。
在钢梁与混凝土板交界面上划分了数目相同单元，所以交界面上节点具有一一对应关系，以方便连接单元布置。
考虑到有限元分析采用是小变形假定，建模时直接将混凝土板与钢梁上翼缘相邻节点横向与竖向自由度耦合而忽略了掀起作用。
具体的网格划分如图7所示。
37森林工程第26卷表1文献3中组合梁试件截面尺寸和材料参数Tab.1Sectionaldimensionsandmaterialparametersofcompositebeamspecimeninliterature3项目跨度/mm剪跨/mm混凝土尺寸bchc/mm栓钉尺寸dchc/mmfsy/MPafcu/MPaN/NfSCB23400016007001101690320450.89SCB24400016007001101690320430.67表2文献4中组合梁试件截面尺寸和材料参数Tab.2Sectionaldimensionsandmaterialparametersofcompositebeamspecimeninliterature4项目跨度/mm剪跨/mm混凝土尺寸bchc/mm2栓钉尺寸dchc/mm2fsy/MPafry/MPafcu/MPaN/NfSB73600140010001001690290.6413.444.61.16SB83600140010001001690290.6413.448.60.84图5型钢等效模型（mm）Fig.5Equivalentmodelofsection（mm）图6组合梁几何模型Fig.6Geometricmodelofcompositebeam图7组合梁有限元模型Fig.7Finiteelementmodelofcompositebeam3.1.4对支座添加约束计算模型采用简支，在梁的一端添加x、y、z三向位移约束，在梁的另一端添加y、z两向位移约束。
添加支座位移约束后计算模型如图8所示。
图8对组合梁支座添加位移约束Fig.8Applieddisplacementconstraintonsupportofcompositebeam3.1.5施加荷载由于试验中千斤顶通过分配梁在距梁端1600mm（正弯矩作用）或1400mm（负弯矩作用）处两点加载，计算模型将试验中所加的荷载换算为集中荷载施加在距梁端1600mm和1400mm节点上。
施加节点集中荷载后的计算模型如图9所示。
图9对组合梁施加荷载Fig.9Appliedloadoncompositebeam3.1.6对支座局部加强由于在加载过程中支座处局部应力特别大，在模拟计算过程中往往是支座处产生较大变形而使计算无法继续进行。
为了避免局部应力集中导致计算不收敛，在组合梁模型支座处建立了加劲肋单元6，7。
3.2ANSYS计算结果3.2.1弹性阶段正、负弯矩作用情况分别以SCB23和SB7为例进行分析。
组合梁试件在弹性阶段的变形图和应力图分别如图10、11和图12、13所示。
47第4期张旭宏等:
钢筋混凝土组合梁的ANSYS有限元程序验证图10SCB23在弹性阶段变形图Fig.10DeformationgraphofSCB23withinelasticstage图11SCB23在弹性阶段应力图Fig.11StressgraphofSCB23within
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