本文采用有限元分析軟件ANSYS 研究了組合扁梁承載力的問(wèn)題，分別建模計(jì)算了簡(jiǎn)支組合扁梁、懸臂組合扁梁和框架組合扁梁的承載力，并且與足尺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，吻合良好。
關(guān)鍵詞 ANSYS 塑性極限承載力組合扁梁有限元
1 前言
    鋼—混凝土組合梁的混凝土樓板擱置在鋼梁的上翼緣上，通過(guò)栓釘剪力連接件將鋼梁和混凝土樓面板連成整體而共同工作，混凝土樓板既承受豎向荷載，又作為組合梁的翼緣參與梁的受力，使梁由純鋼梁受彎狀態(tài)改變?yōu)榛炷潦軌汉弯摿菏芾瓲顟B(tài)，從而達(dá)到了充分利用材料的目的。近年來(lái)，為了降低結(jié)構(gòu)的高度，又充分考慮樓蓋對(duì)梁剛度的加強(qiáng)作用，出現(xiàn)了將混凝土樓板放置在鋼梁的下翼緣上的組合扁梁，如圖1 所示。

   組合扁梁樓蓋由鋼梁和預(yù)制鋼筋混凝土空心樓板組成，其中預(yù)制鋼筋混凝土樓板搭在鋼梁的下翼緣上。加配橫向鋼筋和鋼絲網(wǎng)是為了保證在扁梁達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài)之前不發(fā)生混凝土板縱向剪切破壞，剪力連接件是保證剪力有效地傳遞及疊合板共同工作。
    組合扁梁受力比較復(fù)雜，很難用解析方法求其精確解。本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)簡(jiǎn)支組合扁梁、懸臂組合扁梁和框架組合扁梁的承載力、剛度和延性等特征進(jìn)行了研究，并與足尺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，吻合良好。
2 組合扁梁承載力分析方法
    ANSYS 以比較完善的有限元理論為依據(jù)，有強(qiáng)大的非線(xiàn)性分析功能，可以處理混凝土梁中配置鋼筋、混凝土的開(kāi)裂和壓潰等復(fù)雜問(wèn)題，用于進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析非常方便。本文的有限元分析，主要用到ANSYS 提供的線(xiàn)單元和塊單元兩種類(lèi)型：LINK8，SOLID45 和SOLID65。LINK8 單元模擬鋼筋的受力情況；SOLID45 單元模擬鋼梁的受力情況；SOLID65單元用于模擬混凝土模型。另外，對(duì)于組合扁梁，試驗(yàn)表明鋼梁與混凝土之間的滑移可以忽略，所以鋼梁與混凝土之間連接可以采用共用節(jié)點(diǎn)以使其共同協(xié)調(diào)。
    混凝土的抗拉強(qiáng)度非常低，在加載初期就要開(kāi)裂，能否正確地模擬混凝土的開(kāi)裂是計(jì)算結(jié)果是否精確的關(guān)鍵。本文采用單元死活來(lái)模擬混凝土的開(kāi)裂，其基本思想：如果混凝土開(kāi)裂，就假設(shè)其對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的貢獻(xiàn)可以忽略，在建模計(jì)算時(shí)，可以忽略這些單元。結(jié)構(gòu)分析的有限元模型的單元是不確定的，是動(dòng)態(tài)的，受其受力狀態(tài)而改變的。在計(jì)算分析中，根據(jù)ANSYS 計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力和應(yīng)變，把滿(mǎn)足開(kāi)裂條件的單元?dú)⑺溃屍渫顺龉ぷ鳎缓蟀葱碌哪Ｐ椭匦掠?jì)算，如此反復(fù)迭代，直到相鄰兩次迭代結(jié)果相差在可接受的范圍內(nèi)即可停止計(jì)算。分析中，需要注意的是：對(duì)于節(jié)點(diǎn)，與其連接的所有活單元被殺死以后，該節(jié)點(diǎn)變成一個(gè)漂移的節(jié)點(diǎn)，具有浮動(dòng)的自由度數(shù)值。在一些情況下，需要約束住這些不被激活的自由度以減少要求解方程的數(shù)目，并防止出現(xiàn)位置錯(cuò)誤。但是，在重新激活與其相連的單元時(shí)要根據(jù)情況刪除這些人為施加的約束。另外，在查看結(jié)果時(shí)，盡管其對(duì)剛度矩陣的貢獻(xiàn)被忽略了，但由于殺死的單元仍在模型中，其結(jié)果仍包含在單元顯示和結(jié)果輸出列表中，在單元顯示和其它的后處理操作之前，需用選擇功能排除這些沒(méi)有被激活的單元以方便查詢(xún)處理。
3 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型
    簡(jiǎn)支、懸臂和兩端固支三種不同邊界條件的組合扁梁跨度分別為4000mm、4000mm 和1500mm，對(duì)其分別建立了ANSYS 有限元模型，并進(jìn)行了計(jì)算分析。在有限元分析中，假定鋼材各向同性，彈性模量取188673.3MPa，泊松比取0.3，質(zhì)量密度取7850kg/m3。在材料非線(xiàn)性分析中，采用目前非線(xiàn)性分析中常用的Von Mises 等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，鋼材本構(gòu)關(guān)系取雙直線(xiàn)模型，即初始彈性模量取188673.3MPa，進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段切線(xiàn)模量取750MPa，鋼材屈服強(qiáng)度取397.75MPa；鋼筋取理想彈塑性模型，初始彈性模量取2E5，進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段切線(xiàn)模量取0；BL1、BL2 和BL3 梁的混凝土的壓潰強(qiáng)度分別為37.7、47.2 和41.3MPa。以上數(shù)據(jù)均與試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣的測(cè)得數(shù)據(jù)相吻合。

    所有的實(shí)體單元均為8 節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)方塊，主要處于以下兩個(gè)原因：（1）單元的形狀過(guò)于奇異（如存在太大或太小的內(nèi)角等）會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精確度，采用映射網(wǎng)格，各個(gè)單元均為長(zhǎng)方塊可以提高計(jì)算精度，以較少的單元獲得比較滿(mǎn)意的結(jié)果。（2）每個(gè)單元均為長(zhǎng)方塊，便于分層，這樣模擬混凝土開(kāi)裂的效果比較自由網(wǎng)格的三角形單元要好的多，也更接近實(shí)際情況。劃分好以后，采用“Merge”或“Glue”等命令把模型各部分連成空間的一個(gè)整體，保證單元之間的位移協(xié)調(diào)。對(duì)于試驗(yàn)研究的組合扁梁在高度方向共分17 層，上下翼緣各分2 層，長(zhǎng)度方向每100mm 分1 段。截面的單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖3，建好的模型如圖4～圖6。加載采用位移加載方式，即在加載點(diǎn)施加足夠大的位移，直到構(gòu)件完全破壞，其約束條件的設(shè)置和試驗(yàn)完全相同。計(jì)算時(shí)，對(duì)所施加的外荷載和特征點(diǎn)撓度進(jìn)行跟蹤。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#


4 數(shù)值模擬結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析
    組合扁梁的彈性承載力、極限承載力和撓度的試驗(yàn)值，作為組合扁梁在綜合因素作用條件的實(shí)際情況的反映，體現(xiàn)了組合扁梁受力的實(shí)際性能，是最可靠的數(shù)據(jù)，本節(jié)以此為依據(jù)，將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
    簡(jiǎn)支梁全跨承受正彎矩，充分的利用了材料的特性。但在加載初期，處于中和軸以下的混凝土要開(kāi)裂，退出工作，在ANSYS 進(jìn)行有限元分析時(shí)是將這些不參與工作的混凝土單元?dú)⑺溃詈笫Ｏ轮挥袇⑴c工作的混凝土單元，見(jiàn)圖7，其荷載-跨中撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。兩端支座固定梁在桿端負(fù)彎矩最大，跨中正彎矩最大，在整個(gè)梁跨度范圍內(nèi)彎矩要發(fā)生變號(hào)。
    在加載初期，靠近支座中和軸以上和跨中中和軸以上的混凝土都要開(kāi)裂，退出工作。ANSYS
模擬的結(jié)果與實(shí)際情況十分接近，最后剩下只有參與工作的混凝土，見(jiàn)圖8。荷載-跨中撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。懸臂梁開(kāi)裂后，剩下參與工作的混凝土見(jiàn)圖9，荷載-端部撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。



    從以上3 根組合扁梁的荷載-撓度曲線(xiàn)可以清楚的看到：無(wú)論是彈性階段組合扁梁的剛度，還是組合扁梁塑性極限承載力，有限元分析的結(jié)果都足夠精確，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。這說(shuō)明有限元分析方法是可靠的，可以用來(lái)分析其它類(lèi)似的組合扁梁。
5 主要結(jié)論
    本文借助于有限元分析軟件ANSYS 對(duì)簡(jiǎn)支、懸臂和兩端固支的組合扁梁的承載力性能進(jìn)行了深入的分析，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明數(shù)值模擬結(jié)果足夠精確，所選用的數(shù)值模擬方法是正確有效的，可以用來(lái)分析其它類(lèi)似的組合扁梁，同時(shí)也為對(duì)進(jìn)一步研究影響組合扁梁受力性能的各個(gè)參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。