ANSYS在組合扁梁承載力性能研究中的應(yīng)用

1、 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，為了降低結(jié)構(gòu)的高度，又充分考慮樓蓋對梁剛度的加強(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

2、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對簡支組合扁梁、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)大的非線性分析功能，可以處理混凝土梁中配置鋼筋、混凝土的開裂和壓潰等復(fù)雜問題，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 提供的線單元和塊單元兩種類型：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

3、用于模擬混凝土模型。另外，對于組合扁梁，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，在加載初期就要開裂，能否正確地模擬混凝土的開裂是計算結(jié)果是否精確的關(guān)鍵。本文采用單元死活來模擬混凝土的開裂，其基本思想：如果混凝土開裂，就假設(shè)其對結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的貢獻(xiàn)可以忽略，在建模計算時，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，是動態(tài)的，受其受力狀態(tài)而改變的。在計算分析中，根據(jù)ANSYS 計算出來的應(yīng)力和應(yīng)變，把滿足開裂條件的單元?dú)⑺?，讓其退出工作，然后按新的模型重新計算，如此反?fù)迭代，直到相鄰兩次迭代結(jié)果相差在

4、可接受的范圍內(nèi)即可停止計算。分析中，需要注意的是：對于節(jié)點(diǎn)，與其連接的所有活單元被殺死以后，該節(jié)點(diǎn)變成一個漂移的節(jié)點(diǎn)，具有浮動的自由度數(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)位置錯誤。但是，在重新激活與其相連的單元時要根據(jù)情況刪除這些人為施加的約束。另外，在查看結(jié)果時，盡管其對剛度矩陣的貢獻(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有被激活的單元以方便查詢處理。 3 計算參數(shù)及計算模型 簡支、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、40

5、00mm 和1500mm，對其分別建立了ANSYS 有限元模型，并進(jìn)行了計算分析。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。在材料非線性分析中，采用目前非線性分析中常用的Von Mises 等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，鋼材本構(gòu)關(guān)系取雙直線模型，即初始彈性模量取188673.3MPa，進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段切線模量取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)

6、準(zhǔn)試樣的測得數(shù)據(jù)相吻合。 所有的實(shí)體單元均為8 節(jié)點(diǎn)的長方塊，主要處于以下兩個原因：（1）單元的形狀過于奇異（如存在太大或太小的內(nèi)角等）會影響計算結(jié)果的精確度，采用映射網(wǎng)格，各個單元均為長方塊可以提高計算精度，以較少的單元獲得比較滿意的結(jié)果。（2）每個單元均為長方塊，便于分層，這樣模擬混凝土開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整體，保證單元之間的位移協(xié)調(diào)。對于試驗(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，長度方向每100mm 分1 段。截面的單元劃分見圖3，建好的模型如圖4圖6

7、。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。計算時，對所施加的外荷載和特征點(diǎn)撓度進(jìn)行跟蹤。 4 數(shù)值模擬結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析 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裂，退出工作，在ANSYS 進(jìn)行有限元分析時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，見圖7，其荷

8、載-跨中撓度曲線見圖10。兩端支座固定梁在桿端負(fù)彎矩最大，跨中正彎矩最大，在整個梁跨度范圍內(nèi)彎矩要發(fā)生變號。 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，見圖8。荷載-跨中撓度曲線見圖11。懸臂梁開裂后，剩下參與工作的混凝土見圖9，荷載-端部撓度曲線見圖12。 從以上3 根組合扁梁的荷載-撓度曲線可以清楚的看到：無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。這說明有限元分析方法是可靠的，可以用來分析其它類似的組合扁梁。 5 主要結(jié)論 本

9、文借助于有限元分析軟件ANSYS 對簡支、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，可以用來分析其它類似的組合扁梁，同時也為對進(jìn)一步研究影響組合扁梁受力性能的各個參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)1 陳全,石永久,王元清,陳宏, 張勇. 帶組合扁梁多層輕型鋼框架結(jié)構(gòu)體系分析. 建筑結(jié)構(gòu). 2002.22 ANSYS Theory Manual, Ansys5.5 Help System3 陳惠發(fā). 土木工程材料的本構(gòu)方程. 華中科技出版社. 20014 Quan Chen, Yongjiu Shi, Yuanqing Wang, Hong Chen, Yong Zhang. Loading Capacity Of St