基于規(guī)范和ABAQUS的組合梁承載力計算

1、基于規(guī)范和ABAQUS的組合梁承載力計算摘 要：分別應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式和有限元軟件對完全抗剪連接組合梁的正彎矩區(qū)段進行塑性設(shè)計，計算其正截面抗彎承載力設(shè)計值。通過有限元軟件繪出彎矩跨中位移曲線。對兩種方法的計算結(jié)果進行對比，分析誤差原因。關(guān)鍵字：組合梁；塑形設(shè)計；規(guī)范；有限元1概述本文以一道例題來對比理論計算方法和有限元軟件得到正截面抗彎承載力設(shè)計值，并分析造成誤差的原因，例題如下：某辦公樓內(nèi)一完全抗剪連接組合梁，翼緣板計算寬度為1630mm，板厚為110mm，混凝土強度等級為C30，軸心抗壓強度設(shè)計值=14.3N/mm2；鋼梁為I32a，Q235鋼，截面面積A為73.52cm2。應(yīng)用塑性

2、設(shè)計法計算組合梁正彎矩截面抗彎承載力設(shè)計值。如果翼緣板計算寬度為1230mm，板厚為100mm，混凝土強度等級為C20，計算此時的截面抗彎承載力設(shè)計值。采用有限元軟件對該組合梁進行有限元模擬，要求：（1）采用三等分加載，為保證得出純彎段的極限承載力，可根據(jù)需要自行對剪彎段進行加強；（2）由于是完全抗剪連接，有限元軟件計算中可不考慮栓釘作用；（3）通過有限元軟件繪出彎矩-跨中位移曲線；（4）有限元混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按砼規(guī)，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系取為理想彈塑性）；（5）有限元分析計算得到的承載力與規(guī)范公式計算結(jié)果進行對比，分析其差異原因。2應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范公式對組合梁進行正截面抗彎承載力計算因題中采用

3、的I32a鋼梁不方便計算，現(xiàn)改為以下截面，如圖1所示，其面積為73.8cm2。圖1 組合梁鋼梁截面圖（1）=1630mm，=110mm，混凝土強度等級為C30時：材料強度設(shè)計值混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值=14.3N/mm2，Q235鋼抗拉、抗壓強度設(shè)計值=210N/mm2。判斷塑性中和軸位置 ，因此中和軸在混凝土受壓翼緣板內(nèi)，如圖2所示。圖2 塑性中和軸在混凝土翼板內(nèi)時的組合梁截面及應(yīng)力圖形混凝土受壓區(qū)高度x：塑性承載力（2）=1230mm，=100mm，混凝土強度等級為C20時： 材料強度設(shè)計值 混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值=9.6N/mm2， Q235鋼抗拉、抗壓強度設(shè)計值=210N/mm2。

4、判斷塑性中和軸位置 ，因此中和軸在鋼梁內(nèi)，如圖3所示。 計算鋼梁受壓區(qū)截面面積 圖3 塑性中和軸在鋼梁內(nèi)時的組合梁截面及應(yīng)力圖形 計算鋼梁受壓區(qū)截面面積 計算受壓區(qū)鋼梁高度<鋼梁翼緣板厚，因此中和軸在鋼梁上翼緣內(nèi)。 計算鋼梁受拉、受壓截面的形心位置(以受拉翼緣下邊緣為基線) 鋼梁受拉截面形心位置： 鋼梁受壓截面形心位置： 因而有 塑性承載力3應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對組合梁進行正截面抗彎承載力計算鑒于 =1630mm，=110mm，混凝土強度等級為C30 =1230mm，=100mm，混凝土強度等級為C20，兩種情況分析過程類似，結(jié)果不同?，F(xiàn)以第一種情況為例進行詳細闡述，第二種情況只闡

5、述最后的結(jié)果部分。取簡支梁跨度為6m，三分點處加載，初始荷載P=250KN。另外，為防止混凝土發(fā)生局部受壓破壞，在受力點處設(shè)置200mmx200mmx6mm的鋼墊片。3.1 材料屬性混凝土本構(gòu)關(guān)系按照GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄C中第C2.2和C.2.4條的規(guī)定選用?；炷翐p傷塑性模型的塑性特性、壓縮特性取值、拉伸特性如下圖所示。墊塊和鋼梁本構(gòu)關(guān)系取為理想彈塑性模型，彈性模量為，屈服強度為。圖4 混凝土損傷塑性模型塑性特性圖5 混凝土損傷塑性模型拉伸特性圖6 混凝土損傷塑性模型壓縮特性取值3.2 定義裝配件將鋼梁、混凝土板和墊塊組裝在一起如下圖所示。圖7 裝配完畢的模型圖3

6、.3 設(shè)置分析步圖8 Edit Step對話框3.4 定義約束 混凝土和墊塊、鋼梁之間的約束關(guān)系選擇Tie方式，即假設(shè)它們在分析過程中是緊緊粘在一起的。參考點RP1、RP2與它們所從屬的約束面定義為耦合的關(guān)系。圖9 約束定義對話框3.5 定義荷載和邊界條件3.5.1 定義邊界條件對組合梁添加鉸接約束的邊界條件，如下圖所示：圖10 邊界條件3.5.2 施加荷載采用荷載控制的方式在三等分點RP-1、RP-2點處施加向下的集中荷載250KN。圖11 施加荷載對話框3.6 劃分網(wǎng)格 對組合梁進行網(wǎng)格劃分，混凝土板網(wǎng)格數(shù)目7680個，鋼梁網(wǎng)格數(shù)目1440個，合計9120個網(wǎng)格，如下圖所示：圖12 網(wǎng)格劃

7、分圖3.7 后處理位移云圖為圖13 位移云圖應(yīng)力云圖為圖14 鋼梁Mises應(yīng)力云圖圖15 鋼梁S33應(yīng)力云圖圖16 混凝土板Mises應(yīng)力云圖圖17 混凝土板S33應(yīng)力云圖用origin9.0處理從ABAQUS里面得到的荷載位移值，計算出彎矩值，繪出彎矩跨中位移曲線圖，如下所示。圖18 彎矩-跨中位移曲線圖=1230mm，=100mm，混凝土強度等級為C20時，彎矩位移曲線圖如下圖所示。圖19 彎矩-跨中位移曲線圖(C20)3.8 結(jié)果對比分析通過對比上面兩種方法的計算結(jié)果，可以看出，按照規(guī)范理論計算與有限元模擬得到的極限承載力值非常接近，在誤差允許的范圍內(nèi)。但由規(guī)范計算得到的計算值稍微要大一些。造成這種差異的原因可以從以下幾個方面分析：(1) 用理論規(guī)范計算時，假設(shè)塑性中性軸一側(cè)的受拉混凝土，因為開裂而不參加工作；并且在混凝土的受壓區(qū)為均勻受壓，并達到混凝土抗壓強度設(shè)計值；在鋼梁的受壓區(qū)為均勻受壓，在鋼梁的受拉區(qū)為均勻受拉，并達到設(shè)計值。而用有限元軟件操作時，并不是基于這些假定，而是將各部件劃分網(wǎng)格，各自定義截面屬性，各截面，截面各處應(yīng)力也不一定相同。（2） 用有限元計算時，用荷載控制方式加載的初始荷載值選取，以及混凝土損傷模型的塑性特性指標選取對最終得到