冲击荷载作用下钢混凝土组合梁实验及初步分析

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1、第七届全国现代结构T程学术研讨会冲击荷载作用下钢一混凝土组合梁实验及初步分析肖建春韩志刚毛家意谈若明贯州大学上木建筑学院．贵阳550003)摘要：通过对6根简支钢一混凝土组合粱缩尺模型进行冲击试验，得到了相应的应变和挠度时程曲线。用大型通用有限元讨算软件ANsYs几s—DYNA进行参数比较分析，得出了钢一混凝土组合粱癌=冲击待戴作用卜的更多的力学行为．知变形曲线，位移曲线、应变、速度、加速度时程曲线。分析表明．组合粱跨中附近钢筋混凝士上面层的横向变形最明显；加速度值从钢筋混凝土上面层到下面层逐渐碱小。’关键词：有限元．冲击荷载试验，钢混凝士纽台梁一、引言与普通钢筋混凝

2、土梁相比，钢一砼组合梁具有挠跨比小，承载力高的优点。人防工程建设越来越强调贯彻平战结合的方针，对地下人防工程的跨度和使用空『日J提出了较高的要求。钢一砼组台梁与普通钢筋混凝土梁相比，更适合大跨度结构。清华大学对撞击荷载作用下钢筋混凝上的性能进行了研究11】。美国海军土木工程试验室采用落锤试验设备柬研究预应力混凝土粱在撞击荷载作用下的动力性能【2】。关于冲击荷载作用下钢一砼组梁的性能研究则少见报道。因此测试、研究冲击荷载作用下钢一砼组合粱的各项力学性能对钢．砼组合粱在人防工程。p的推广应用具有重要意义。二、试验研究选用人防工程建设中常用跨度7800mm，组合粱的翼缘厚2

3、50nm，工字钢600×500a按1／4相似理论制作了6根组合梁模型，其中钏筋混凝士面板纵向钢筋上、下层均采用”@80，栓钉连接件m10@“0。试验及典型波形见图l。189皂逞秘q舢龇蛳姗舢删锄冲击时间／ms(a)梁中点位移图o㈣制帅铒毯”刊挺撕耀冲击时间／越(b)粱顶面混凝土应变图工业建筑2007螬刊塑．兰旦全圈翌垡笙塑三堡兰查型堕全：＼髫蜓豢锄绷OⅢ∞㈣姗蹦冲击时同／m(c)粱混凝土板底应变图枷O删姗娜Ⅷ●釉舢冲击时间／ms：、髫鬃器锄∞am∞∞a5∞q∞●m●嘲冲击时间佃，(d)钢梁顶应变图(e)钢粱底应变图图1试验及波形除了beanl3(落锤高度2m，砂垫层厚

4、20cm)外，6根试验构件中的其余5根均出现混凝土板上下两端出现与锚筋杆身相平行的裂缝，裂缝宽度随着落锤高度的加大而加大(裂缝宽度O．05mm～0．2nm)。典型横向裂缝扩展见图2。图2组台粱的纵向裂缝和横向微裂缝三、冲击荷载作用下组合梁的数值模拟冲击试验费用昂贵，试验过程也比较复杂，加之测量手段羊¨观测条件的限制，很大程度限制了冲击荷载作用下组合梁的动力实验研究。对组合粱构件的冲击过程进行数值模拟，可以检查试验结果，同时可为以后的试验研究，包括实验方法的选择及参数的设置均有指导意义，从而克服实验的盲目性，减少实验次数。节约实验成本。工业建筑2007增刊699一神蛳肿

5、懈协‘＼锹毯世蜷卅麟孵删一∥一第七届全国现代结构工程学术研讨会ANsYs／Ls—DYAN是由美国ANsYs公司和LsTc公司合作开发的一个显式非线性动力分析通用有限元程序。是ANSYs的高度非线性瞬态动力分析模块，可以求解各种二维、三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸、模压等大变形动力晌应。，在ANsYs中采用二维建模t首先将梁截面建立起来．在网格划分时再将二维模型拉伸成三维模型。关于混凝土与钢材的粘结模拟方面，主要有双面连接单元、粘结斜杆单元、无厚度四结点或六结点粘结单元等。但是大多数研究者均假定钢材与混凝土完全粘结，少数学者在钢材和混凝土之间加入滑移单元(sliDele

6、ment)或者间隙单元(gapelement)。笔者在建模时，采用了大多数学者的做法，即对钢材与混凝土两种材料之间采用了粘结(91ue)处理。利用工作面，直接将三维的落锤几何模型建立在组合梁中间的上方(图3)。选择面面接触(surface—to—surfacecontact)中的自动接触(Automaticcontact)。图3有限元分析取落锤高度为4m，取梁底部中点L(O，0，一1．025)，钢梁与混凝土板交界而点2(O，0．15，一1．025)，混凝土板顶点3(0，0．2125，一1．025)为分析对象，分别分析其在组合梁横载面Y向的位移、Y向的速度和加速度的分析

7、。。‘(一)位移分析位移表现出典型的弹塑性材料的性质．位移值都是逐渐增加到最大值后有一个减少的确过程，即弹性变形恢复的过程，然后位移值逐渐稳定下来，材料形成了残余变形。由于梁载面尺寸小，能量在试件中迅速传播，l、2、3点的位移几乎同时发生，在很短的时间内达到极值。点3的Y向位移值(O．84口)明显小于点1、2的位移值(2．8lI【iIⅡ)(罔4)。1700图4Y向时间一位移历程图工业建筑2007增刊第七届全国现代结构T程学术研讨会(二)速度分析．落锤下落后能量传递：点3先获得一定速度，在几乎间时点1、3获得反向速度，在极短时间内获得正向速度，由于能量