【《装配式组合梁试验设计案例分析》8700字（论文）】

装配式组合梁试验设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u46291.1有限元模型分析 17761.1.1模型建立 2318981.1.2材料属性 3191561.1.3相互作用与边界条件 937791.1.4网格划分与单元选取 11227351.1.5计算结果 1351331.1.6装配式组合梁构造尺寸 15177571.1.7装配式组合梁装配流程 15150411.2材料试验 20264461.2.1混凝土材料试验 203651.2.2钢结构材料试验 21168771.3小结 24装配式钢-混凝土组合梁与传统钢-混凝土组合梁的制作方式不同，其由工厂预制混凝土板与钢梁，经过运输，再通过剪力连接件，可实现在现场装配组合，其方便灵活的安装方式非常适合在现代桥梁工程作业中开展应用。在进行装配式钢-混凝土组合梁模型试验研究前，需进行大量前期工作，如：理论计算下的组合梁性能变化、组合梁的设计制作与装配、模型试验中所使用材料的研究。本章通过ABAQUS软件建立装配式钢-混凝土组合梁有限元模型，计算装配式组合梁在静力加载下的力学性能随荷载变化的规律，为进一步研究装配式组合梁模型试验提供相关数据铺垫与理论支持；同时将对装配式钢-混凝土组合梁的装配流程进行阐述，介绍各装配阶段的作用与注意事项；为方便后续模型试验研究，还将对研究中的混凝土砂浆及钢材进行材料试验，确保此次研究中所使用材料的性能的可靠性。有限元模型分析有限元就是有限单元法，建立一个连续体，将其分散成有限个单元，所以此时的连续域变成了有限域。这种解法是一种数值方法，对于每个单元对应一种特定的差值函数，利用计算机进行计算求解。有限元法在工程中的应用起源于上世纪50年代，在航空工程中的飞机结构的矩阵分析[60]。结构矩阵分析将一个结构看做是有限个力学小单元互相作用互相连接的集合体，代表单元力学特性的刚度矩阵可以看做是积木，它们组合在一起构成了整体结构的力学性能。若单元满足所求问题的收敛要求，随着单元尺寸缩小，域内所求小单元的数目增加，所求解的精度将进一步精确，最终近似解将收敛于精确解。装配式钢-混凝土组合梁由混凝土与钢材两种材料组成，其力学性能赖于组成材料的特性。混凝土在使用过程中，由于徐变、开裂等原因，都会发生应力重分布的现象，甚至超静定结构还会因为刚度的变化而发生内力重分布。人工计算将会变得非常复杂、困难，故采用软件分析，通过有限元法进行解析显得更为合理和准确。模型建立试验梁总长为2200mm，钢梁长度为2200mm，采用标准H型钢，钢梁上翼缘板宽度为125mm，下翼缘板宽度为125mm，腹板高度为125mm，上下翼缘板厚度均为9mm，腹板厚度为6.5mm，预留螺栓孔纵向间距140mm，横向间距60mm，直径12mm，2排14列，共计28个螺栓孔。混凝土翼板长2000mm，宽度为280mm，高度为80mm，预留孔槽宽度为60mm，间隔80mm。混凝土板与钢梁模型如下图：图2-1钢梁模型图图2-2混凝土板模型图混凝土板与钢梁通过螺栓连接件与现浇混凝土连接，为模拟螺栓连接件与现浇混凝土，建立螺栓与现浇混凝土块的模型。图2-3螺栓模型图图2-4现浇混凝土模型图图2-5连接件垫片模型图图2-6螺帽模型图共计1片钢梁，1片混凝土板，28个螺栓，28个螺帽，28个垫片，14块现浇混凝土块。对各部件进行装配组合，得到装配式钢-混凝土组合梁模型，如图：图2-7装配式组合梁模型图材料属性（1）混凝土材料混凝土材料由水泥、粗细骨料、外加剂等多种材料组的复杂非线性材料，其在拉、压两个方向表现出不同的力学性能，并且其存在损伤、开裂、压缩等受力特征。ABAQUS中关于混凝土本构模型包括三种，分别为脆性开裂模型、混凝土损伤塑性模型、弥散裂纹模型[61]。三种本构模型各有特点，适用于不同的工程问题。脆性开裂模型适用范围较小，其只考虑混凝土材料的受拉非线性过程，仅适用于素混凝土或少筋混凝土，不能运用在钢筋混凝土或预应力混凝土结构构件中混凝土材料本构关系的模拟。因此组合梁材料模型的混凝土材料本构关系一般采用塑性损伤模型和弥散开裂模型。弥散开裂模型是将结构中混凝土材料离散均匀化，将实际结构中混凝土裂缝弥散到整个混凝土单元中，将混凝土材料处理为各向异性材料，并对混凝土受拉应力-应变曲线软化段进行修改处理，来模拟受拉区混凝土开裂后结构的变形行为，这种屈服准则与经典弹塑性理论中的Drucker-Prager准则一致，这种流动准则是普通的关联流动法则，其缺点是在循环荷载下难以考虑混凝土卸载时刚度退化以及二次加载时刚度恢复等往复受力特性[62]。损伤塑性模型是在1988年，由Lubliner，Lee和Fenve最先提出的，其目的是为探究在动态加载或循环加载条件下混凝土结构的力学特性，提供合适的混凝土模型，这种模型考虑了混凝土材料的拉伸性能与抗压性能的差异[63]，ABAQUS依据该模型理论设立损伤塑性模型。这种模型通过引入塑性损伤因子并根据混凝土规范中的应力-应变曲线进行材料模型建立，能够实时计算组合梁在荷载作用下材料弹性模量的变化值，适用于各种静载、疲劳荷载工况，能够对结构进行非线性分析与计算[64]。本模型中混凝土材料采用的本构模型是损伤塑性模型，在ABAQUS软件中定义混凝土材料参数时，需要输入混凝土质量密度、弹性模量、泊松比和塑性参数。其中塑性参数需要用户提供混凝土受压的应力—应变参数。混凝土单轴受压状态下的应力—应变曲线是混凝土最基本的本构关系参数，其应力—应变关系曲线如图2-8。图2-8混凝土应力-应变关系曲线曲线分为上升段与下降段两部分。应力达到0.3fc~0.4fc之前为弹性段，应力—应变曲线近似为直线，混凝土内部产生裂缝并初步发展；在应力上升到0.8fc进入弹塑性阶段，混凝土内部的裂缝不断发展并连接贯通，形成贯穿裂缝；在应力达到峰值fc时，形成完整开裂面，此时的应变ε0约为0.2。这之后曲线进入下降段，混凝土开裂速度急速增加，应变不断增大，但对应的应力不断减小，直到混凝土破坏，对应的极限应变为ε目前世界上应用最广都得混凝土单轴受压应力—应变关系曲线是Hongnestad在1951年提出的Hongnestad表达式，他将应力—应变曲线上升段、下降段分别简化为抛物线和斜线。如图2-9。图2-9Hongnestad表达式曲线上升段：σ=下降段：σ=Hongnestad建议进行理论分析时取εu=0.0038，而在设计中可以取εu=0.003。并建议ε0=2σ0/E0，E0为初始弹性模量，建议σ0=0.85fc’（fc’为混凝土圆柱体抗压强度）。这一建议取斜率为15%的斜直线来考虑混凝土的下降段，表达简洁，又抓住了主要特征，得到广泛应用（f本模型中使用两种强度等级的混凝土，混凝土板采用C50强度等级，现浇混凝土块采用C80混凝土，其材料参数取值见表2-1。表2-1混凝土材料参数混凝土等级质量密度（Kg/m3）杨氏模量（Pa）泊松比C5024003.45×10100.2C8024503.875×10100.2根据上述公式及表2-1参数计算C50混凝土应力—应变曲线塑性段参数：σε取塑性应变ε=0.002，代入σ=σ02εε0−εε0图2-10C50混凝土材料参数同理，计算并整理得到C80混凝土材料参数，并填写进ABAQUS中C80材料参数，见图2-11。图2-11C80混凝土材料参数（2）钢材材料用作钢-混凝土组合梁的钢材主要分为两种：软钢与硬钢，前者有物理屈服点，如常见的热轧钢筋，后者无物理屈服点，如钢丝、钢绞线等等。本模型模拟组合梁使用的为软钢，故在此不对硬钢的本构关系进行讨论。软钢单轴受拉应力—应变曲线包括四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段，如图2-12。弹性阶段：在应力σ达到屈服应力fy之前，应力—应变曲线呈线性关系，OA线段斜率即为钢材弹性模量，这一阶段试样的变形完全是弹性的，全部卸载后，试样可以恢复其原长；屈服阶段：试样的伸长量急剧地增加，这一阶段应力上下波动，应变不断增加；强化阶段：材料在塑性变形过程中不断强化，应力—应变关系曲线重新变成上升趋势，达到极限抗拉强度fu；颈缩阶段：应力下降，应变加大，直至钢材最终被拉断。图2-12软钢单轴受拉应力-应变关系曲线模型中钢材主要有钢梁与不锈钢螺栓。与混凝土材料不同，钢材是一种质地均匀、各向同性的材料，通常认为其抗压、抗拉的应力—应变曲线相同，一般采用抗拉试验测得。其本构关系相较混凝土更为简单明确，在有限元软件中，一般将钢材的应力—应变关系曲线理想化，用于钢材本构模型可分为三种：理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型、三折线或曲线模型。理想弹塑性模型：假定钢材达到屈服强度后，一直保持屈服应力不变，直到材料被拉断破坏，如图2-13（a）；线性强化弹塑性模型：将钢材屈服后的强化阶段看做斜率较小的直线，如图2-13（b）；三折线或曲线模型：在钢材屈服后，继续考虑钢材的塑性强化段，并看做直线或曲线，如图2-3（c）。图2-13钢材本构模型在翻阅大量关于钢-混凝土组合梁的文献后，发现在组合梁进入破坏阶段后，钢材仍未达到塑性强化段，故在计算模拟组合梁跨中静载破坏时，采用理想弹塑性模型考虑，精确度已经足够。其应力计算公式为：σ=Eεε≤σ=上式中：E——钢材弹性模量；εyfy——钢材屈服强度。本模型中钢梁采用Q235钢，螺栓采用不锈钢，钢材材料参数如表2-2所示。表2-2钢材材料参数钢材质量密度（Kg/m3）杨氏模量（Pa）泊松比屈服应力（Pa）钢梁78502.09×10100.32.35×108螺栓78502.00×10100.35.00×108相互作用与边界条件（1）相互作用部件间的接触关系是进行有限元建模过程中非常重要的环节，接触作用的定义对有限元分析结果有着很大的影响，其关系着模型分析计算结果的收敛与准确性。本模型不考虑现浇混凝土块底部与钢梁上缘表面的自然粘结力，故两者不采取约束。ABAQUS的约束方式包括绑定约束、耦合约束等，绑定约束是将两个部件的接触面绑定在一起，使两者在接触面上的自由度全部相同，变形同步；耦合约束是使两者在接触面上某一自由度相同。通过查阅文献，发现大量试验表明螺栓与混凝土受压侧的混凝土变形基本同步，只有根部与受压侧背面混凝土在受荷时容易产生分离。为了简化模型，假定在本次模型模拟中螺栓与周围混凝土在受力过程中协同变形，故对螺栓与混凝土接触面采用绑定约束，作用接触面如图2-14（a）。对于螺栓与钢梁螺栓孔接触面，两者也采用绑定约束，作用接触面如图2-14（b）。由于本次模型模拟是为静载、疲劳试验做数据支撑与铺垫，且新旧混凝土间作用对结果数据影响甚小，故对于预制混凝土孔槽与现浇混凝土，不考虑新旧混凝土间的变形与作用力，仅赋予不同的材料参数，将两者进行合并装配。同时，这样做的好处还有，对于新旧混凝土组合后的混凝土板可以整体进行切割，使其网格划分更加合理，变形更加协调。螺栓、垫片与螺帽间的作用，其变形对于本次研究基本无影响，故同样采用合并的方式，直接假定为一个整体。（a）螺栓与现浇混凝土间的接触（a）螺栓与现钢梁间的接触图2-14部件接触面（2）边界条件试验加载视为简支梁进行加载，两端支座设置在沿混凝土板两端端面，向钢梁位置延展的钢梁下缘板板底，其中支座简支1为铰支座，约束X、Y、Z向平动位移，支座简支2为滑动支座，约束X、Y向平动位移。（X方向为竖向，Z方向为横向，Y方向为纵向）图2-15边界条件图为了更好地模拟试验加载机的加载方式，准确的得出荷载-挠度曲线，本次模型采用跨中位移加载方式，在组合梁跨中建立RP-1点，将RP-1点与上部混凝土板中心位置处部分面积的混凝土进行耦合约束，通过对RP-1点进行位移加载，模拟对组合梁的位移加载。图2-16加载方式图网格划分与单元选取ABAQUS软件中单元网格的划分对于有限元分析结果影响很大，划分网格时要尽量保证划分的单元形状规则，与实际模型形状相符。在本模型中，由于现浇混凝土部分内部结构较为复杂，而预制混凝土板结构简单，两者网格划分后的单元疏密程度相差较大，故不进行单独网格划分，在对构件进行单独切割后，采用独立实例装配，将两者合并后整体划分网格，此时新旧混凝土组合板的单元划分较为合理，计算时变形更加协调，如图2-18所示。为了简化接触关系，方便计算收敛，同样对螺栓、垫片与螺帽进行组合后，再划分网格，如图2-19所示。为方便计算，钢梁采用较疏网格划分方式，网格划分如图2-17。图2-17钢梁网格划分图图2-18混凝土板装配、网格划分图图2-19螺栓装配组合、网格划分图组合梁装配后整体网格划分如下图所示：图2-20组合梁模型网格划分图计算结果本次装配式钢-混凝土组合梁模型采用位移加载，位移—时间关系如图2-21，根据经验、以及查阅文献，最大跨中加载位移为40mm。图2-21最不利节点时间-位移图图2-22给出了ABAQUS计算得到的模型应力云图，可以得知，在加载完成后，装配式钢-混凝土组合梁跨中钢梁的应力达到了235MPa，跨中现浇混凝土应力与周围预制混凝土板应力相差不小，实际加载过程中这一部分混凝土由于新旧混凝土强度差异，预计会产生裂缝。图2-22钢梁应力云图组合梁最不利节点位于跨中钢梁梁底正中，选取此最不利节点，得出如图2-23所示最不利节点的时间—应力曲线图。曲线呈先线性增加，后不变的形式。在加载初期就迅速达到了最大应力，后保持不变，直至加载结束。图2-23最不利节点时间-应力图为得到最不利节点的应力—应变曲线图，先得到了应力、应变分别与时间的曲线图，如图2-24、图2-25，再通过更改XY关系得到了关于最不利节点的应力—应变关系图，可以看出与时间—应力曲线相同，图形呈先迅速线性增加，后保持不变的形式。图2-24最不利节点应力与应变-时间图图2-25最不利节点应力-应变图建立组合梁跨中荷载-挠度曲线关系，如图2-26所示。图形符合客观规律，荷载-挠度首先呈线性增加，在跨中荷载接近120kN，组合梁进入屈服阶段，之后荷载缓慢增加，跨中挠度迅速增长，直至加载结束。图2-26最不利节点荷载-挠度试验设计装配式组合梁构造尺寸试验梁总长为2.2m，其中钢梁长度为2.2m，混凝土翼板长2.0m。在伸出钢梁部分可以焊接U型粗钢筋，便于梁体起吊，并可在此布置位移计，测量钢梁与混凝土翼板的端部滑移量。混凝土翼板采用C50混凝土，宽度为280mm，高度为80mm，钢梁采用标准H型钢，钢梁上翼缘板宽度为125mm，下翼缘板宽度为125mm，腹板高度为125mm，上下翼缘板厚度均为9mm，腹板厚度为6.5mm。混凝土翼板中设置上、下层各2根φ6纵向钢筋，箍筋为φ6@140，与螺栓位置“打架”处可作适当调整。剪力连接件为新型螺栓，双排布置，横线间距为60mm，纵向间距为140mm。在支座及加载点处为提高钢梁局部稳定性，布置竖向加劲肋。试验梁的具体构造尺寸如图2-27所示：图2-27装配式组合试验梁具体构造尺寸图装配式组合梁装配流程混凝土板由预制加工完成，剪力连接件采用自主研发不锈钢螺栓连接件，与钢梁一起由钢结构工厂制作完成。制作完成的钢梁与混凝土板放在实验室大厅，以保障良好的通风及养护温度。装配式钢-混凝土组合梁制作流程如下：构件制备与加工工厂内完成钢梁及螺栓连接件的制作。钢梁采用标准H型钢（125*125），强度等级为Q235，为提高钢梁局部稳定性，在支座及加载点（即跨中）处布置竖向加劲肋，见图2-28。图2-28试验钢梁实物图（已打磨喷漆）多数文献均表明，剪力连接件的锈蚀会在很大程度上影响组合梁的极限承载力，由于疲劳试验周期较长，为了避免螺栓连接件产生锈蚀现象从而本试验结果造成不可估量的影响，故采用自主研发新型不锈钢螺栓连接件，见图2-29。图2-29螺栓连接件实物图于实验室完成预制混凝土板的制作，混凝土板采用C50混凝土，并在两端焊接U型粗钢筋，方便试验过程的梁体起吊，现浇混凝土部分采用C80混凝土砂浆。预制混凝土板制作过程包括七个部分：搭建模板、预留孔洞（在木块上涂抹凡士林润滑剂，方便之后脱模）、绑扎钢筋骨架、浇筑混凝土、充分振捣混凝土、预留混凝土制作标准立方体抗压模型（为材料试验测试混凝土强度等级做准备）、脱模成品，具体流程见下图：图2-30预制混凝土板制作流程图对钢梁进行打磨除锈、全面喷漆。钢梁在工厂完成制作后运输到实验室，期间不可避免产生了钢材锈蚀现象，表面产生少量铁锈，其成分主要为三氧化二铁，质地松散，空气中的氧气、水分更易通过，并且通过铁锈形成的正极、铁形成的负极，构成了原电池效应，加速锈蚀现象进一步产生。而钢梁被锈蚀，就会在加载过程中产生应力集中现象，造成其极限承载力远远达不到预期效果，这会对本实验产生不可估量的危害。为了减少铁锈对本试验结果的影响，将对钢梁进行重新打磨，并在结束后及时进行喷漆防护，避免钢梁再次产生锈蚀现象进一步影响钢材的承载性能。构件装配完成钢梁与螺栓连接件的装配；完成混凝土板与钢梁的现浇作业。对钢梁与螺栓连接件进行组合连接，但疲劳试验是对组合梁进行周期性反复荷载，螺帽对螺杆的连接在长期的作用下难免产生松动，这将影响螺栓连接件的抗剪作用。为了防止螺帽在反复荷载作用下产生松动而脱落，在螺栓螺纹处使用低强度螺纹锁固胶后再拧上螺帽，加强螺帽与螺纹间的结合力。为了测得试验梁在静载作用下螺栓连接件的应变变化，对将进行静载试验的钢梁上螺栓进行贴应变片，应变片位于端部第一对螺栓、1/4跨处一对螺栓、跨中一对螺栓，共6个应变片。在贴上应变片后，为防止现浇混凝土时，混凝土浆料对应变片产生破坏影响，对应变片进行防水处理。用涂抹环氧树脂的纱布对应变片进行包裹，以达到防水、防冲击破坏的效果。在对混凝土板预留孔洞进行现浇作用时，新旧混凝土结合处不仅要结合强度高，而且要尽量避免在新旧混凝土收缩时，两者结合面处产生脱裂现象。在实际中，旧混凝土的收缩早已完成，而新混凝土的收缩才刚刚开始，新旧混凝土收缩不均匀，势必在结合面造成剪切或拉伸作用力，从而形成裂缝，这样不仅会使新旧混凝土无法很好的共同工作，而且对钢筋混凝土的抗渗性、耐久性等都有危害。所以本次装配过程采取在混凝土板与钢梁浇筑之前，对混凝土板槽内进行浇水湿润、凿毛处理的方式，加强新旧混凝土之间的作用力，同时对槽内下缘进行处理，减少现浇混凝土时从槽内下缘缝隙中产生漏浆现象。组合梁养护与加工对组合梁进行为期28天的养护工作，每日进行清洁打扫，并在第一周进行浇水湿润养护。混凝土养护质量的好坏直接决定混凝土材料微观特性，从而影响到混凝土材料的强度与质量。如果早期养护得当，在后期时，混凝土的密实度就会更高，其总空隙率降低，毛细孔含量就会减少，这会明显提高混凝土的强度。在混凝土养护过程中，空气的温度与湿度、养护的时间等都是重要的控制参数，适当的温度、充足的水分、必须的养护时间是实现混凝土耐久性的重要保障。故为保障混凝土的质量，进行为期一周的洒水养护，为使混凝土湿度均匀，采取在组合梁混凝土板上覆盖土工布的措施，每日在布上进行洒水保湿养护。对组合梁上缘混凝土板表面进行打磨，并对混凝土板整体刷漆。由于加工混凝土板未打磨以及现浇混凝土较多，产生浆料溢出，组合梁上缘混凝土板表面较为不平整，将对混凝土板表面重新打磨，为之后加载时加载面能够与机器平整接触做准备。同时对混凝土板进行刷漆处理，采取白色漆，以便在加载过程中，实验员能更易观察到混凝土开裂现象。图2-31装配式组合梁制作全过程流程图材料试验装配式钢-混凝土组合梁的构件包括三个部分：预制混凝土板、工字形钢梁、抗剪螺栓。按照试验设计，预制混凝土板采用C50强度混凝土制作，现浇混凝土采用C80水泥砂浆，钢材采用Q235钢，抗剪螺栓采用不锈钢。为保证材料属性真实可靠，将对各构件所采用的材料进行自主测试。混凝土材料试验（1）C50预制混凝土板C50混凝土配合比为水泥：水：砂：石子=1：0.42：1.152：2.449。在浇筑混凝土板的同时取相同批次制作3块150mm×150mm×150mm的标准立方体抗压试块，以分别测定混凝土的立方体抗压强度fcu和弹性模量Ec。试验仪器采用电液伺服万能试验机，见图2-32，加载过程见图2-33。图2-32电液伺服万能试验机图2-33混凝土立方体抗压试验图混凝土板的混凝土强度等级见下表。表2-3C50混凝土强度等级测试表试件编号试验尺寸（mm）破坏荷载（kN）承压面积（mm2）强度评定（MPa）1150×150×150107222500482150×150×150114922500513150×150×15010402250046平均48混凝土材料试验的最小承载力为46MPa，最大为51MPa。（2）C80水泥砂浆制作3块50mm×50mm×50mm的立方体抗压小试块，以分别测定混凝土的立方体抗压强度fcu和弹性模量Ec，试验仪器采用微机控制电液伺服万能试验机，见图2-34，加载过程见图2-35。图2-34微机控制电液伺服万能试验机图2-35水泥砂浆立方体抗