大跨度预应力型钢混凝土组合梁非线性分析

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1、CMYK工程试验与研究大跨度预应力型钢混凝土组合梁非线性分析郭铁（广东省建筑设计研究院）摘要：本文为佛山某大型综合体项目的大跨度空间采用的预应力型钢混凝土组合梁，在理论分析的基础上采用有限元软件ANSYS对梁进行了有限元模拟分析。通过计算机数值分析研究该预应力型钢组合梁的变形和混凝土开裂情况以及其极限承载能力、荷载变形能力曲线、以及混凝土开裂滑移对梁承载力的影响，分析考虑了混凝土和钢材的非线性性能和钢、混凝土之间的接触非线性性能，利用分析结果将预应力型钢混凝土梁代换为普通型钢梁进行整体楼面结构的舒适度分析。关键词：预应力型钢混凝土梁；数值分析；非线性分析；舒适度1引言

2、界面尺寸详见图1。混凝土强度C60P6，采用自密实抗渗混凝土。混凝土翼缘配置HRB400钢筋，配筋主要为增近年来，预应力技术在混凝土结构工程应用日趋成加翼缘混凝土抗裂性能和提高承压能力。型钢梁主要板熟，张拉工艺，张拉吨位都有了长足发展。但是目前，国材20～40mm不等，材质为Q345B，局部Q345B-Z25性内对预应力型钢混凝土组合梁，特别是大跨度结构在重能。型钢梁单根重量达80T。组合梁大样见图1。荷载情况没有专门的理论分析和实验研究，本文以佛山某大型综合体项目的大跨度空间的预应力型钢混凝土3材料的本构关系组合梁为例，通过ANSYS对梁进行有限元模拟分析，对3.1

3、钢板材料的本构关系比理论计算结果，对该形式的构件承载力和安全性能进在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏行评估。张力的第二不变量达到某一定值时，该点就开始进入塑2工程概况性状态。钢材的屈服准则采用vonMises屈服准则，取佛山某大型综合体项目工程屋面梁跨度35.5m，梁平均剪应力作为强度条件，当等效应力超过材料屈服应图1组合梁截面CMYK工程试验与研究力时产生塑性变形，硬化采用随动硬化模型，强化模量并释放单元应力；Et=0.01Es。⑷考虑材料非线性，不考虑几何非线性效应。3.2预应力钢材的本构关系4.2受压翼缘的钢筋混凝土有限元单元碳素钢丝和钢绞线属于硬质钢

4、，为一维杆单元，其混凝土采用ANSYS软件的三维实体单元Solid65，应力应变曲线见图2。包括四个阶段：①弹性阶段（OA单元为空间8节点单元，每个节点有具有X、Y、Z三个方段），终点为σp，②弹塑性阶段（AB段），终点为σ0.（残2向的平动自由度，用于有或无钢筋的三维实体单元，可余应变为0.2%），③强化阶段（BC段），终点为σb，④塑定义二个方向的配筋率，可采用非线性材料，混凝土可形流动阶段（CD段），应变曲线呈现下降段，然后断裂。考虑拉裂、压溃、塑性变形和徐变，单元形状可退化为棱柱体或四面体。当材料的某一积分点在单轴、双轴以及三轴压应力下失效时，则判定该点材料压

5、碎破坏，在形成整体刚度矩阵时，就忽略该点对刚度的贡献。裂缝处剪切传递系数取值范围为0.0～1.0，0.0为光滑裂缝；1.0为粗糙裂缝。本工程混凝土开裂时剪力传递系数取0.35，闭合时的剪力传递系数取0.95。4.3型钢梁钢板有限元模型钢板单元为ANSYS软件的三维实体单元Solid45，图2应力应变曲线单元为空间8节点单元，每个节点有具有X，Y，Z三个方3.3混凝土受压的本构关系向的平动自由度，单元在三个正交方向可以发生蠕变、膨胀、塑形、强化大变形能力等。混凝土的单轴受压的应力-应变曲线方程公式如下：4.4预应力钢绞线有限元模型当X≤1时，y=αX+(3－2α)X2+

6、(α－2)X3钢绞线单元为ANSYS软件的三维杆单元Link10，aaa当X＞1时，y=x/［α（X－1）2+X］单元特有的双线性刚度矩阵特性使其成为一个轴向仅dx=ε/εc；y=σ/fc受拉或仅受压杆单元，使用只受拉选项时，如果单元受式中，压，刚度就消失，以此来模拟预应力钢绞线的松弛；Lin-αa、αd———单轴受压应力-应变曲线上升段、下降kl0单元具有非线性、应力强化、大变形功能。段的参数值，分别取为1.78、2.48；4.5钢混凝土接触单元有限元模型fc———混凝土单轴抗压强度（fck、fc或fcm）；钢梁和混凝土之间考虑到接触问题，在钢单元和混εc———与f

7、c相应的混凝土峰值压应变。凝土之间加入滑移单元(slipelement)或间歇单元关于混凝土的破坏准则的研究非常多，我们在计算(gapelement)，型钢和混凝上之间状态非线性用面一时考虑混凝土的破坏准则采用常用的W-W五参数准则，面接触单元来模拟。把弹性模量较大的钢管当作刚性的具体为：混凝土张开裂缝的剪切传递系数为0.35，闭合“目标”面，在钢管单元表面生成目标单元TARGE170；把裂缝的剪切传递系数为0.95。不考虑压碎时，计算相对弹性模量较小的混凝土当作柔性的“接触”面，在混凝土容易收敛，而打开压碎开关则比较难收敛，所以只有在单元表面生成接