弹性力学

钢2混凝土组合扁梁受力性能的有限

元分析

西安工业大学建筑工程系050705124周博超

钢2混凝土组合扁梁受力性能的有限元分析

周博超

摘要：钢2混凝土组合扁梁是将钢梁内嵌于混凝土之中的新型组合梁，它能最大限度地降低结构的高度，形成类似"无梁楼盖"的结构体系，已在住宅钢结构中推广应用，其承载性能和设计方法研究引起了结构工程界的关注.本文采用通用有限元程序ansys研究了组合扁梁的承载力问题，通过建模计算了简支组合扁梁、悬臂组合扁梁和框架组合扁梁的承载力和变形特征，得到了相应的荷载2位移过程曲线，并与组合扁梁的试验结果进行了比较，验证了计算结果的正确性.

关键词：组合扁梁;极限承载力;有限元在多层钢结构建筑，特别是住宅钢结构中，钢2混凝土组合扁梁楼盖已成为深受欢迎的楼盖体系，实现了“无梁楼盖”建筑效果.组合扁梁是一种新型结构体系，受力性能比较特殊，目前尚无成熟的分析和设计方法，本文采用有限元方法对这种新型组合梁的受力性能和破坏过程进行了模拟，并与试验结果进行了比较，得到了对设计和应用组合扁梁具有重要参考意义的结论.1组合扁梁结构

普通钢2混凝土组合梁充分利用了材料的特性，混凝土楼板搁置在钢梁的上翼缘，通过栓钉将钢梁和混凝土楼板连成整体而共同工作，混凝土受压，钢梁受拉，如图1.为了进一步减小梁高，组合扁梁将混凝土楼板放在了钢梁的下翼缘，看上去类似“无梁楼盖”，它充分考虑了楼盖对梁刚度的加强作用，如图2.组合扁梁楼盖可由钢梁与预制混凝土空心楼板或深肋压型钢板楼板组成，横向钢筋和钢丝网是为了保证在扁梁达到强度极限状态之前不发生混凝土板纵向剪切破坏，剪力连接件保证混凝土板与钢梁共同工作[1].图1普通组合梁

图2组合扁梁

与其它组合梁相比，组合扁梁楼盖的下表面平整，一般不需要做吊顶，便于房间的灵活布置及自由分隔，同时降低了结构高度，提高了结构的抗火能力.这种新型组合梁在工程上已开始应用，需要对其分析和设计方法进行深入研究[223].2有限元模型和计算参数2.1混凝土开裂的模拟

ansys可以处理混凝土结构的配筋、开裂和压溃等复杂问题，本文分析主要用到ansys提供的线单元和块单元两种类型：link8，solid45和solid65.link8单元模拟钢筋的受力情况;solid45单元模拟钢梁的受力情况;solid65单元用于模拟混凝土模型.建模时，忽略钢梁与混凝土之间的滑移，钢梁与混凝土之间连接采用共用节点以使其变形协调.试验结果也表明对于组合扁梁，钢与混凝土之间的滑移对其刚度和承载力影响很小，可以忽略[4].混凝土的抗拉强度低，在加载初期就要开裂，能否正确地模拟混凝土的开裂是计算结果是否准确的关键.本文采用单元的“死活”概念来模拟混凝土的开裂，其基本思想是如果混凝土开裂，假设其对结构的刚度和承载力的贡献可以忽略，在建模计算时，将这些单元“杀死”.由于事先不知道哪些单元应该“杀死”，所以结构分析的有限元模型的单元是不确定的，是动态的，随其受力状态而改变.在计算分析中，根据ansys计算出来的应力和应变，把满足开裂条件的单元“杀死”，让其退出工作，然后按新的模型重新计算，如此反复迭代，直到相邻两次迭代结果相差在可接受的范围内即可停止计算.2.2网格的划分本模型所有的实体单元均为8节点的长方块，便于分层，这样模拟混凝土开裂的效果比较自由网格的三角形单元要好的多，也更接近混凝土开裂的实际情况，采用“merge”或“glue”等命令把模型各部分连成空间的一个整体，保证单元之间的位移协调.2.3边界条件的处理