组合管桁架抗弯承载力的有限元分析

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1、第23卷第1期苏州科技学院学报(工程技术版)Vo1．23No．12010年3月JournalofSuzhouUniversityofScienceandTechnology(EngineeringandTechnology)Mar．2010组合管桁架抗弯承载力的有限元分析陶涛，何若全，赵宝成(苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011)摘要：应用ANSYS参数化程序对组合管桁架结构抗弯承载力进行了非线性分析，计算表明有限元模拟与试验结果吻合较好，验证了有限元模型以及编制APDL命令流的正确性。再应用编制的

2、命令流，分析了混凝土翼缘板板厚、混凝土强度、桁架高跨比、桁架钢材强度、桁架管截面尺寸等因素对组合管桁架抗弯承载力的影响，并对其结果进行了探讨。关键词：管桁架；组合管桁架；非线性；有限元中图分类号：TU375．3文献标识码：A文章编号：1672-0679(2010)01—0030—04组合桁架同普通实腹式组合梁相比，具有结构自重轻、刚度大、造价低等优点；同纯钢桁架相比，结构延性和稳定性能较好，承载能力较高。这种结构在公路、桥梁以及高层、超高层房屋建筑的楼面结构中得到了广泛地应用，发展前景很大。组合管桁架是组合桁

3、架的一种形式，其上下弦、腹杆均采用闭合截面的钢管，通过栓钉将管桁架与混凝土翼缘板可靠地连接起来。随着相贯线数控切割技术的发展和应用，使管桁架的制作和施工十分方便，因而研究组合管桁架的受弯承载性能具有很高的工程应用价值。本文采用有限元分析软件ANSYS对一根试验梁的加载全过程进行了非线性有限元模拟，模拟计算结果与试验所得结果吻合得较好。随后设计了一根跨度为15In的组合管桁架，并对其抗弯承载力进行了有限元分析，分析了试件的荷载一变形曲线、破坏机理以及破坏时各构件的应力分布情况，又在此基础上，进一步分析了混凝土板

4、厚度、混凝土强度、钢材强度、高跨比、上下弦杆面积比等因素对组合管桁架抗弯承载力的影响。1有限元模型的建立1．1模型的单元选取组合管桁架主要由钢管桁架、混凝土翼缘板和栓钉组成，本文应用有限元软件ANSYS中的8节点Sol—id65单元模拟混凝土翼缘板，4节点塑性大应变单元shell43模拟钢管桁架，弹簧阻尼单元Combin39模拟栓钉。为了简化，不考虑钢管桁架和混凝土板之间的掀起、测向位移和扭转。因此可沿钢栓钉弹簧单元管桁架上弦杆中线纵向定义一维弹簧单元模拟粘结滑移，其余两Ccmbin30图1栓钉弹簧单元图方向

5、自由度耦合【】见图1。1．2网格的划分为了更好地收敛，本文对混凝土翼板沿长度方向每隔100～150mm划分一个网格，沿宽度方向每隔100mm划分一个网格，沿厚度方向每隔40～50mm划分一个网格。本文选择映射网格，其原因是：(1)单元的形状过于奇异会影响计算结果的精度，采用映射网格，各个单元均为长方块可提高计算精度，以较少的单元获得满意的结果。(2)每个单元均为长方形，便于分层，这样模拟混凝土开裂的效果比自由网格的三角形单元要好得多，也更接近实际情况。划分好以后，把钢桁架和混凝土合成空间于一个整图2组合管桁架

6、整体模型体，保证单元之间的位移协调。有限元模型如图2所示。[收稿日期]2009—05—19[作者简介】陶涛(1982一)，男，江苏苏州人，硕士研究生。第1期陶涛等：组合管桁架抗弯承载力的有限元分析311．3试验值与有限元值对比有限元模拟基于试验的基础上，试验模型设计为管桁架弦杆和腹杆均采用冷轧方钢管，材料为Q235B级钢，弦杆尺寸规格为口60x4，腹杆尺寸规格为口40x4。混凝土板板厚100mm，有效翼缘宽度为900mm，混凝土的设计强度为C30。具体尺寸如图3所示。l00100图3试验模型几何尺寸1．3．1

7、变形验证挠度的试验值与有限元计算值对比如图4所示，可以看出曲线无论在弹性阶段还是塑性阶段都吻合得比较好；曲线发展规律一致，量值相当。据此可认为，有限元模型可以真实地反映实际结构的受弯承载力和挠度发展情况。1．3．2荷载一应变关系验证跨中截面下弦杆底面的荷载一应变关系如图5所示，试验值与数值模拟的结果基本一致。1．3．3跨中截面}昆凝土表面纵向应变变化验证由图6跨中截面混凝土表面纵向应变曲线比较可知，距离栓钉(即坐标轴处)越近，应变越大，这与试验结果一致。混凝土表面纵向应变沿宽度方向的分布均匀，试验与数值模拟的

8、结果吻合得比较好。通过以上分析可知采用的有限元分析模型是合理的，数值模拟结果与试验结果吻合较好，能够为深入分析提供依据。1——试验值5。。沿混凝土板宽方向坐标／ram4O0⋯⋯电算值-500-400一300-200一1000l(30200300400500蚕s。o￡———东襄。。。墨：=_．：426kN1。。0蓄—奸蓉—一tI050100150200蝉————————36kN。最／。。应变‘)—卜—