下载文档原格式
安徽建筑中图分类号：U448.21+1文献标识码：A文章编号：1007-7359（2024）3-0162-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2024.3.059为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理、经济性能更具竞争力，钢-混凝土组合桁梁桥应运而生。
其主要通过剪力连接件将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，目前国内外普遍采用有限元分析对钢桁架-混凝土组合结构的力学性能进行研究。
在模拟方法及模型建立方面，王军文等[1]采用了空间杆系梁单元来模拟钢桁架梁，矩形板壳单元模拟公路桥面板；朱海松[2]运用有限元程序SAP-5进行分析，对主桁架分别采用空间刚接梁单元和空间铰接杆单元两种形式进行建模，对混凝土桥面板则亦采用板壳单元建立；周惟德和陈辉求[3]将组合桁架划分为四个单元，混凝土面板采用板单元，钢桁架的上下弦杆采用钢架单元，腹杆则采用杆单元。
不同学者根据所建得的不同模型得出了有关钢桁架-混凝土组合结构的各种研究成果，为后人提供了坚实的基础和有益的参考。
本文基于有限元软件ABAQUS6.10，依托天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m ，建立有限元模型，比较分析钢桁架-混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥的力学性能。
1研究对象依托工程为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。
立面简图见图1，节点间距及腹杆高度见表1。
图1组合桁架立面简图2计算模拟方法及模型的建立为了保证模型的收敛性，将桁架杆件均划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元。
混凝土桥面板被看成是各向同性的均质材料，且不考虑钢筋的作用，桥面板既可承受压力亦可承受拉力，且不会开裂而导致刚度降低。
所有构件均在弹性范围内工作，其应力-应变关系符合胡可定律，所有由于加工制造和安装原因导致的缺陷、偏心和残余应力影响均不考虑。
分别计算纯钢桁架结构和钢桁架混凝土组合结构在结构自重+活载（汽车荷载）下的位移和应力。
对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定，桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。
钢筋混凝土有限元分析(1)首先建立有限元模型，这里我们选用ANSYS软件自带的专门针对混凝土的单元类型Solid 65，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加Solid 65号混凝土单元。
(2) 点击Element types窗口中的Options，设定Stress relax after cracking为Include，即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。
(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65单元中的配筋情况。
进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型1与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。
(4) 再添加第二个实参数，输入X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为5%。
(5) 下面输入混凝土的材料属性。
混凝土的材料属性比较复杂，其力学属性部分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。
下面分别介绍如下。
(6) 首先进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在DefineMaterial Model Behavior 窗口中选择Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。
在Define Material Model Behavior 窗口中选择Structural-> Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。
科学技术创新2019.34ECC 混凝土组合梁和普通钢筋混凝土梁疲劳性能研究曹团结庞海涛（北京工业大学，北京100124）1研究背景及现状由于混凝土受拉强度低、受拉部分容易损伤开裂的特性，导致钢筋混凝土梁随着使用年限的增长，受拉区域损伤不断积累进而导致混凝土梁带裂缝工作。
混凝土梁带裂缝工作时导致混凝土内部应力重分配，开裂区钢筋裸露在空气中，加之跨海桥梁建设不断加快导致传统的钢筋混凝土梁受高湿、高盐高碱海水冲刷等因素的影响，导致梁体裂缝不断加大，梁体内受拉区钢筋腐蚀速度进一步加快，桥梁梁体受到疲劳荷载作用而破坏更加严重，最终导致设计桥梁承载能力急剧降低、缩短使用年限。
随着建筑材料的发展，ECC 混凝土材料由于其弹性应变大、抗弯曲抗开裂能力强、耐久性好及质量轻等优点被工程界认为解决普通钢筋混凝土梁疲劳损伤问题的良好材料。
但ECC 混凝土材料与传统混凝土相比，施工技术要求高、成本高，这些不利因素也限制纤维水泥基复合材料在实际工程中的应用。
国内外针对ECC 混凝土材料运用于梁的抗弯性能，已进行了相关静力试验研究。
在ECC 混凝土方面的研究，Wenjie Ge 等人[1]基于ECC 混凝土抗弯性能试验研究用FRP 筋加固的复合梁，得出结论当ECC 层被放置在张力区中，沿梁的纵向裂缝的宽度得到了很好的控制。
使用ECC 层可以提高加固能力，增强梁的拉压性能，在拉伸破坏模式下，极限弯矩、极限曲率和能量耗散随拉伸阻力的增大而增大；压缩破坏模式，随着拉伸强度的增加阻力，极限力矩略有增加，而极限力矩曲率和能耗降低。
袁方等人[2]提出ECC 简化应力-应变关系模型，梁的截面尺寸为200×300mm ，构件长度为2350mm ，纯弯区长度为350mm ，箍筋直径、间距分别为8、100mm ，得到配筋率在0.377%、1.05%、1.57%情况下的弯矩-曲率图，采用截面条带法对构件的受弯性能进行分析得到梁底ECC 层的使用能够显著提高构件的承载力并能控制裂缝开展。
图1组合梁截面示意
图4试验与有限元数据比较
编号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7
荷载/kN P max120.0114.0128.7118.0114.6110.0101.1
P min20303030302020
DP100.084.098.788.084.690.080.1
应力，并指定事件（Event）的重复次数和比例系数；激活疲
劳计算。
2数值算例
2.1计算参数取值
本文采用上述有限元模型分析7个组合梁分别为：
FSCB-1、FSCB-2、FSCB-3、FSCB-4FSCB-5、FSCB-6和
FSCB-7七根梁的截面尺寸、栓钉间距以及混凝土板做法完
全相同，其配筋率rst和混凝土抗压强度fcu见表1。
2.2模型建立及计算结果
本模型是由三部分组成：混凝土板、连接件和钢梁。
其
中混凝土板是由SOLID65构成，根据7根不同配筋率和混凝
土强度的试件设置混凝土的含筋量和混凝土抗压强度，工字
钢梁是有SOLID45构成，连接件的作用通过钢筋混凝土板和
钢梁应用GLUE命令来实现的，采用接触面耦合自由度的方
法使混凝土板和工字梁完全连接。
2.2.1S-N曲线
通过试验建立等幅循环应力与疲劳破坏时循环次数之间
的关系，即S-N曲线为：
logN k+4.81logΔτ=16.23（2）
2.2.2等幅疲劳荷载和疲劳损伤累积
（1）疲劳荷载。
试验中施加的是常幅疲劳荷载，如图3。
试验荷载结果，
见表2。
（2）疲劳损伤累积。
迄今为止，大部分疲劳试验都是研究等幅荷载下的疲劳
问题，ANSYS采用的是Miner线性积累损伤法.Miner线性积
累损伤法假定：①低于疲劳极限的应力不导致疲劳损伤；②
大小不同载荷加载顺序的影响忽略不计；③临界疲劳损伤
DCR=1。
（3）疲劳寿命。
从有限元分析过程可以看出，在疲劳荷载作用下，栓
钉、混凝土与钢梁结合部产生应力较大，随着疲劳次数的增
加，同时栓钉的疲劳承载力也不断下降，降低的速率取决于
作用在栓钉上的疲劳荷载幅，荷载幅越大则栓钉的静力极限
承载力下降越快.由荷载引起的剪力在尚未发生疲劳破坏的栓
钉之间重新分布，使剩余栓钉承受的剪力增大.随着疲劳次数
的增加，栓钉承载力进一步降低，又有栓钉被荷载上限引起
的剪力剪断，又进一步引起剪力重分布现象。
2.3结果分析与讨论
本文结合组合梁的试验数据，与有限元分析结果进行了
比较。
2.3.1疲劳寿命
梁疲劳寿命比较见表3、图4。
从表3和图4可以看出，FSCB-1和FSCB-2，FSCB-3
和FSCB-4具有相同的配筋率，当混凝土抗压强度越高时，
其对应的试件疲劳寿命也越大，并且当混凝土抗压强度提高
时，其疲劳寿命相应的提高很大；从表上看比较明显，例如
FSCB-4和FSCB-5，FSCB-5配筋率明显小于FSCB-4，但无
论是实验还是数值分析中FSCB-5的疲劳寿命都大于FSCB-图2组合梁加载示意
图3疲劳试验加载路径
表2试验荷载
表3疲劳寿命对比
梁号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7
rst/%0.770.770.610.610.450.610.61
fcu/MPa35.336.836.441.845.334.434.4
表1组合梁试件设计参数
编号FSCB-1FSCB-2FSCB-3FSCB-4FSCB-5FSCB-6FSCB-7
rst/%0.770.770.610.610.450.610.61
fcu/MPa35.336.836.441.845.334.434.4
试验中疲劳次数/万38.0-206.0（实振）68.5170.0179.034.822.0
有限元中疲劳次数/万46.0-721801903713
◎研究与应用
49
辽宁建材2009年第7期
图5
疲劳寿命比较
4，充分说明配筋率和混凝土抗压强比较起来，混凝土抗压强度对组合梁疲劳寿命影响更大；试验的7个试件中FSCB-6和FSCB-7是具有相同混凝土抗压强度和配筋率的，由于应力幅的不同，决定了疲劳寿命大不相同。
另外，其中FSCB-2试件在试验和模拟中都在200万次内未达到疲劳，试验采取了加大疲劳荷载直至其破坏，其中混凝土板的配筋率和混凝土抗压强度在最优组合的情况下，可以更经济地提高整个试件的疲劳寿命，值得我们今后更加
深入地研究。
见图5。
根据图5，对照表3中的结果可以看出，有限元计算的疲劳寿命偏大，试验数据在图上呈现不规则性，由试验数据拟和公式（8）线性分布，公式（1）、（2）、（3）数值较小，其
中公式（1）、（2）最小且相近。
产生上述情况的原因是由于数值计算考虑的是理想状态下情况，没有考虑组合梁交界面的相对滑移，使得有限元计算数值偏大；由于试件混凝土的离散性，决定了试验数据的不规律性；公式（1）、（2）为设计规范，由于其考虑了安全系数等影响，结果偏于保守；公式（3）、（8）都是根据试验数据拟合出的公式，其值介于前面两者中间.总之，针对实际工程中许多不确定因素，根据试验数据和数值模拟分析相结合，对组合梁疲劳性能进行分析计算更加合理也比较经济。
3结束语
通过对组合梁疲劳性能的研究，发现配筋率和混凝土抗
压强比较起来，混凝土抗压强度对组合梁疲劳寿命影响更大.在组合梁的疲劳性能研究过程中，采用试验数据与数值分析相结合的方法进行研究，对实际工程及设计有着现实的指导意义。
参考文献：
［1］李建军，聂建国．钢-混凝土组合梁的疲劳问题［J ］．工业结
构，2002，32（03）：57-60．
［2］朱聘儒．钢-混凝土组合梁设计原理［M ］．北京：中国建筑工
业出版社，1989．▲
高层民用建筑剪力墙结构设计体会
1工程概况
“鞍钢嘉园“为鞍钢房地产开发集团有限公司开发的住
宅小区，其中6#楼为还建住宅，建筑面积21752m 2，总高度82m ，地下一层地上二十七层剪力墙结构。
建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度为0.10g ，剪力墙抗震等级为二级，场地土类别为Ⅱ类。
2结构体系的确定
由于6#楼为动迁户回迁楼，户型面积、开间较小，根
据规范要求可采用框架剪力墙和剪力墙结构。
剪力墙结构墙体不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风、地震等水平荷载的作用。
剪力墙结构侧向刚度大、侧移小，抵抗水平侧移能力强，具有较好的抗震性能。
同时这种结构体系将承重墙与分隔墙合二为一，相对来说也比较经济。
这种结构室内比框架或框剪结构简洁，不露梁、柱，便于室内布置，使用功能更好，使用面积更大。
经过分析比较本工程决定采用剪力墙结构。
3剪力墙的平面布置
开面布置见图1。
刘月云，杨晔琳
（鞍钢房地产开发集团建筑设计院有限公司，辽宁鞍山114041）
［摘
要］本文结合工程实例全面论述了高层民用建筑剪力墙结构体系的平面布置、刚度与位移的控制及构件的调
整。
［关键词］剪力墙结构；均匀；对称；位移；刚度［中图分类号］TU973.16
［文献标识码］B
［文章编号］1009-0142（2009）07-0050-02
［收稿日期］2009-06-20
50。
