新型外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能及破坏机理研究

Cao Lan，Xie Mengjie，Chen Ming和Wu Yichao

摘要：提出了一种新型的外包瓦楞钢制混凝土复合梁。为了研究这种新型组合光束的弯曲性能和故障机理，通过ABAQUS软件建立了对正弯曲弯矩下新型外包瓦卢钢制混凝土复合束的数值分析。模型。分析了新复合梁在正弯矩的作用下的故障机理，并分析了该新复合梁的弯曲特性的参数，并分析研究了板厚度。参数对外包瓦楞钢质混凝土复合梁的弯曲轴承能力的影响。参数分析表明，钢强度越大，预应力率越大，底部板厚度就越大，新复合梁的极限弯矩越大。基于参数分析，提出了一种用于计算组合梁的弯曲轴承能力的新方法。研究结果可以为建立新的外包瓦楞钢制混凝土复合梁的设计方法提供参考。

关键字：组合光束；瓦楞钢网;弯曲抗性；有限元模型；参数分析

摘要：提出了一种新型的基于钢制的混凝土复合梁，并提出了瓦楞钢网。为了研究这种新型复合梁的弯曲行为和故障模式，使用ABAQUS建立了正弯矩T下该复合梁的数值分析模型。揭示了这种新型复合梁在正弯矩下的故障模式。分析了影响新型钢制混凝土复合束的弯曲行为的参数，包括钢和混凝土强度，预胁迫肌腱的直径，瓦楞钢和底部钢的厚度。

结果表明，复合束的终极弯曲力矩随钢的较高强度而增加，底部板的肌腱和较大的底裤直径较大。提出了新型复合梁弯曲能力的公式。研究结果可以为带有波纹钢网的新型基于钢制的混凝土复合梁的未来设计提供参考。

关键字：复合梁；瓦楞钢网；弯曲行为； FE模型；参数分析

组合结构在预制建筑物中具有良好的应用前景。外包钢结构复合梁是近年来引起了很多关注的组合结构之一。外包钢结构复合梁是指将钢板或冷弯曲焊接到U形的新组合梁形式，并在内部填充混凝土[1]。它具有高轴承能力，高刚度和方便的结构的优势，并且具有广泛的开发前景。与普通的组合梁相比，U形钢内混凝土的存在可以有效防止网络的局部屈曲，U形钢可以用作混凝土倒入的模板，减少施工过程。

近年来，国内外的许多学者已经对外包钢结构复合梁进行了相关的实验和数值分析，并取得了富有成果的结果。 Zhang Ting [2]对6英尺大小的U形钢结构复合梁的标本进行了实验研究，并得出了横截面弯曲轴承能力，变形计算公式等的公式钢结构复合梁。 Zhao Qianqian [3]等。基于实验建立了组合光束的有限元模型，并对三个主要因素进行了参数分析，即混凝土法兰板的大小，法兰板纵向加固的加固比以及外包钢的厚度盘子。他在6英尺大小的U形钢结构复合梁上进行了实验研究和数值模拟，并分析了复合梁的弯曲工作机制。 Quchuang [5]对7个简单的支线外包模式混凝土压力板组合梁进行了弯曲测试研究和数值模拟。主要的研究参数是横截面维度，纵向加固和防滑连接度。 Lee等。 [6]对五个波纹Web预应力的复合梁测试进行了弯曲测试，并提出了计算组合梁的弯曲轴承能力的公式。刘等。 [7]研究了剪切接头的类型，数量和焊接位置对其弯曲性能的影响，该弯曲测试的弯曲测试是U形钢结构组合束样品的5英尺尺度。 Katwal等人建立的压力钢板混凝土复合梁的有限元模型。 [8]可以成功获得不同类型的故障模式并预测负载置换曲线。 Lawson等。 [9]对多孔C形钢结构复合梁的弯曲特性进行了一项实验研究，研究参数主要是C形底板和Web上的多孔位置。 Zhou [10]和其他人在外包冷弯曲U形钢结构组合梁上进行了弯曲测试，主要考虑因素的影响，例如纵向增强率，钢板板厚度，梁高度和底板钉钉间距。基于上述研究，发现外包钢结构复合梁的弱侧主要是由于混凝土和钢板之间的粘结较差。但是，大多数国内外国家都在研究外包钢质混凝土复合梁的相关参数和特性。 ，其结构形式的创新和探索很少见。

本文提出了一种新型的外包瓦楞钢制混凝土组合光束，如图1所示。新组合梁由U形钢梁和混凝土组成，U形钢梁由焊接2瓦拉吉钢板形成，1个底部钢板和2个顶部钢板。此外，混凝土在U形钢梁内部填充，预应力钢链通过后张紧方法张紧，以增强梁的弯曲电阻。本文提出的新复合梁使用瓦楞钢板而不是原始的直钢网，这大大增加了钢板和混凝土之间的接触面积，并且可以大大减少U形钢梁和混凝土之间的滑移，以便两者一起工作。在先前的研究中，发现外包钢结构复合梁的剪切轴承能力主要由网络承担。本文提出的组合光束采用垂直瓦楞纸网，与普通的直钢板相比，合并束的剪切电阻可以显着提高抗剪切电阻。能力。本文提出的新组合光束方便构建，经济和具有良好的发展前景。

图1新组合束结构

图1新型复合梁的结构

本文建立了新外包瓦楞钢制凝结复合梁的ABAQUS有限元模型，分析在正弯矩的作用下新复合梁的故障机理，并发展钢强度，混凝土强度，预耐加速的肋骨直径厚度和底部钢板。分析了许多参数，例如厚度，并根据可塑性理论提出了一种新的组合梁弯曲能力的新方法。

01

建立有限元模型

1.1材料模型

1）使用三倍线模型，该钢用于有限元分析。弹性阶段曲线的斜率是钢的弹性模量，ES = 2.06×105mpa；达到钢屈服强度FY后，材料进入加强阶段。目前，曲线斜率为0.01E；在钢达到最终强度FU之前，此后，曲线的斜率将为零。钢曲线的方程为：

2）使用Abaqus提供的塑料损坏模型模拟混凝土，并通过建议的“混凝土结构设计代码”（GB 50010-2010）[11]采用混凝土的本构关系，并且σ-ε曲线为如图2所示。模型中的膨胀角度ψ为30°，流势偏移值ε为0.1，双轴最终抗压强度与单轴最终抗压强度的比率为1.16，在拉伸子午表面和压缩过程上表面第二应力不变的比率为0.6667，粘度系数为0.0005。

图2混凝土的构成关系

图2混凝土构成关系

1.2单位选择

本文中的有限元模型包括外包U形钢梁，混凝土，预应力的肋骨和支撑。外包U形钢梁由2个瓦楞钢板，1个底部钢板和2个顶钢板组成。混凝土，底部钢板和顶钢板采用8节点还原格式三维固体单元（C3D8R），瓦楞纸的网络采用4节点的四节二个线性还原降低积分有限膜紧张的壳单元（S4R），并采用预先的肋骨采用2节点3D线性桁架单元（T3D2）进行模拟。预应力是通过冷却方法施加的，并将温度下降值给予预应力的钢棒单元，该钢筋单元缩小和变形并在混凝土上产生预压应力。

1.3接触设置和边界条件

预应力的肋骨直接嵌入混凝土中，瓦楞纸，底板和顶板绑定到混凝土和U形钢梁，以及U形钢梁的底部板和底部的底板U形钢梁的板与支撑结合。设置了两个对称加载支撑，以形成纯曲面部分并采用位移加载方法。在模型的轴承位置，一端约束垂直和纵向位移（ux = uy = uz = 0）以形成固定的铰链支撑，而另一端仅约束垂直位移（uy = uz = 0）以形成滑动铰链支持。这使得横梁模型满足简单的支撑条件。有限元模型的网格趋势如图3所示。

图3新组合光束的有限元模型

图3新型复合梁的FE模型

02

测试验证

由于缺乏新外包瓦楞钢制混凝土组合梁的弯曲测试数据，本文验证了文献中6种外包钢结构组合梁的弯曲测试结果的测试结果[4]，以确保有限元素的准确性模型性。图4显示了样品S1的损伤形式，有限元和测试结果的比较分别显示在图5和表1中。

图4标本S1的破坏形式

图4样品S1的故障模式

图5有限元计算值和测试值的比较

图5 FE计算与测试结果之间的比较

表1计算结果的比较和外包钢结构组合梁的测试结果

TAB.1基于钢制混凝土复合梁的计算与测试结果之间的比较

计算结果表明，外包钢结构复合梁的有限元模拟获得的故障形式与测试一致，最终弯曲矩的有限元计算值MC非常接近测试值MT，平均值MT/MC的速度为1.004，方差为0.0003。从图5可以看出，测试结果基本上与有限元计算结果的负载跨度偏转曲线一致，这表明本文中建立的有限元模型可以更好地模拟外包钢结构的弯曲过程复合梁。 。

03

机理分析

通过有限元分析，可以发现本文中新的外包瓦楞钢制混凝土组合光束具有相同的故障模式。这种伤害模式与传统的钢筋混凝土钢筋梁相同，并且都在前部弯曲损坏。图6显示了当新外包瓦楞钢凝结复合梁受损时，混凝土纵向应变分布的云图。可以看出，梁底部的加载点处的混凝土拉伸应变非常大，表明样品在这里产生了相对明显的裂纹。纯弯头区域法兰板顶部的混凝土达到了最终的压缩应变，表明板顶部的混凝土已被压缩。破碎的。

图6在失败状态下混凝土的纵向应变分布的云图

图6在失败模式下的混凝土纵向应变分布轮廓

图7显示了联合束故障期间U形钢梁的MISES应力分布的云图。可以看出，纯弯头区域的U形钢梁的顶板和底板是拉伸的，几乎在所有部分中都屈服，并且已经进入了塑料阶段。剪切跨度区域纯弯头区域附近的顶板和底部板也有拉伸并屈服。波纹网的上端和下端产生了，但中间应力较小。最终梁损伤的特征是混凝土法兰板的压碎，横截面失去承重能力。损坏后，整个组件具有很大的挠度变形，这表明新组合梁的损坏是延性损伤，并且在损坏之前存在明显的迹象。

图7失败状态下U形钢梁的应力分布的云图（单位：MPA）

图7在失败模式下（单位：MPA）的U形钢梁轮廓应力分布轮廓轮廓

04

参数分析

为了研究新组合梁的弯曲性能，本文分析了外包瓦楞纸钢制混凝土组合梁的弯矩M-SPAN偏转，包括钢强度，混凝土强度，预应力的径径厚度。图8的影响显示了标本L1-2的中跨横截面参数（单位为mm），样品的跨度均为46m。表2中列出了所有制定样品模型的特定参数和计算结果。除表2中列出的参数外，所有样品的其余参数与L1-2相同。图9显示了在各种参数下，新组合光束的弯曲时间中间跨度曲线。可以看出，在正弯矩的作用下，这种组合的光束具有良好的延展性和变形能力。

图8 L1-2标本横截面参数（单位：mm）

图8 L1-2的横截面参数（单位：mm）

表2有限元模型参数

TAB.2 FE模型的参数

图9新组合光束的弯矩跨度挠度曲线

图9新型复合梁的MS曲线

4.1钢强度

建立一个组合梁模型。当样品的所有其他状态相同时，当使用钢强度等级用于相同用途时，对新外包瓦楞钢制混凝土组合梁的弯曲性能的影响。图9a）显示了不同钢强度下新组合束的弯矩跨度挠度曲线。可以看出，钢强度对新组合束的弯曲轴承能力有重大影响。从表2可以看出，钢强度为Q235的样品的弯曲轴承能力比Q345样品的弯曲能力低9.4％，并且具有钢强度的钢强度的弯曲轴承能力大于Q420 Q345标本。弯曲轴承能力增加了4.7％。可以看出，随着钢强度的增加，新组合束的弯曲轴承能力显着增加。因此，建议组合束采用高强度钢，该钢可以节省钢的量，同时确保组合束的弯曲能力。

4.2混凝土强度

建立一个组合梁模型。当样品的所有其他状态相同时，当研究混凝土强度等级为C30，C40和C50时，对新外包瓦楞钢制混凝土组合梁的弯曲性能的影响。图9b）显示了不同混凝土强度下新复合梁的弯矩跨度挠度曲线。可以看出，增加混凝土强度级对复合梁弹性阶段的刚度没有影响，但它将改善弯曲轴承能力。从表2可以看出，具有混凝土强度为C30的样品的弯曲轴承能力比C40样品低1.7％，并且具有C50的混凝土强度的样品的弯曲轴承能力大于C40标本。弯曲轴承能力增加了1.0％。从上述分析结果可以得出结论，混凝土强度对新组合束的弯曲轴承能力的影响相对较小，而新组合束的弯曲轴承能力随着混凝土强度的增加而略有增加。

4.3预应力直径

建立一个组合梁模型。当样品的所有其他状态相同时，当使用预应力肋骨使用2φs15.2，3φs15.2和4φs15.2时，新外包瓦楞钢制混凝土复合梁的弯曲性能的影响分别进行了研究。 。图9c）显示了在不同预应力的轨道直径下新组合梁的弯矩跨度挠度曲线。可以看出，增加预应力的裂纹直径可以显着提高组合梁的弯曲轴承能力。从表2可以看出，与3φs15.2样品的弯曲轴承能力相比，标准肋的标准肋骨的弯曲轴承能力降低了12.3％，并且样品的弯曲能力具有预应力的肋骨。 4φs15.2。轴承能力比3φs15.2样品的弯曲轴承能力高12.6％。可以看出，预应力的肋骨的直径对新组合束的弯曲轴承能力产生很大影响，并且随着预应力肋的直径的增加，弯曲轴承能力将大大增加。

4.4波纹网厚度

建立一个组合梁模型。当样品的所有其他状态相同时，当研究分别研究2mm，3mm，4mm，5mm，5mm和6mm的新外包瓦楞钢制混凝土组合梁的弯曲性能的影响。图9d）显示了不同瓦楞纸厚度下新组合光束的弯矩跨度挠度曲线。可以看出，曲线相对较近，并且弯曲轴承能力略有增加。从表2可以看出，与2mm样品的弯曲负载能力相比，带有波纹网络厚度的样品的弯曲负载能力增加了1.9％，以及带有波纹Web的样品的弯曲负载能力4mm的厚度大于3mm的厚度。样品的弯曲轴承能力增加了2.6％，与4mm样品的弯曲轴承能力相比，瓦楞纸厚度为5mm的标本的弯曲轴承能力增加了3.8％，并且样品的弯曲耐药性和弯曲耐性瓦楞纸厚度为6mm，增加了3.8％。轴承能力比5mm样品的弯曲轴承容量高2.2％。可以看出，当波纹网的厚度很小时，它对新组合梁的弯曲轴承容量几乎没有影响。本文提出的新组合光束的主要功能之一是增强U形钢和混凝土之间的键合，组合束配备了预应力的肋骨，并且可以使用较薄的（厚度小于6mm）的瓦楞纸板达到高弯曲轴承能力。因此，本文忽略了瓦楞纸网对合并束的弯曲能力的贡献。

4.5底部钢板厚度

建立一个组合梁模型。当所有样品具有相同的其他状态时，当底部钢板的厚度分别为5mm，6mm和7mm时，新外包瓦楞钢制结合梁的弯曲性能的影响。图9E）显示了不同基板厚度下新复合梁的弯矩M-SPAN挠度S曲线。从表2可以看出，与6mm样品的弯曲载荷能力相比，底板厚度为5mm的样品的弯曲负荷能力降低了6.6％，并且样品的弯曲负载能力带有基板7mm的厚度低于6mm样品的厚度。将强度提高5.4％。从上述分析结果可以看出，新组合束的弯曲轴承能力随底部钢板的厚度的增加而增加。

05

弯曲轴承能力计算公式

通过有限元分析，本文表明，当新的复合梁损坏时，压缩法兰板的混凝土被压碎，以及U形钢纯弯曲面积产量的U形钢的顶部和底板。因此，可塑性理论可用于在正弯矩的作用下计算其抗性。弯曲负载承重能力。基本假设是：不考虑拉伸混凝土的拉伸效应；钢板和混凝土一起工作，组合梁的横截面应变沿横截面高度方向线性变化，即它符合平坦的横截面假设。拉伸或压缩时，钢板达到屈服强度；压缩区域中的混凝土使用等效的矩形应力模式来替代理论应力模式。

从以前的分析中可以得出结论，新组合梁可以采用更薄的波纹板，而在损坏时，网络不会完全横截面，因此瓦楞纸网对弯曲轴承容量的贡献将被忽略。根据塑料中和轴的不同位置，本文主要研究在两种情况下正弯曲矩的作用下，新组合光束弯曲轴承能力的计算公式。

1）塑料中和轴位于混凝土法兰板中，横截面应力分布如图10a所示），此时应满足：

图10新复合梁的横截面应力分布图

图10新型复合梁横截面的应力分布

首先根据力平衡来计算混凝土等效压缩区域的高度x，其表达为：

然后，基于力矩平衡，对等效矩形力点采取了矩，组合梁的最终弯曲轴承能力为：

其中：H'是U形钢梁的高度（单位：mm）； HP是预应力的肋骨与底板的上表面之间的距离（单位：mm）。

2）塑料中和轴位于波纹网中，横截面应力分布如图10b所示），此时应满足：

首先根据力平衡来计算混凝土的实际压缩面积高度XC，其表达为：

然后，根据中和轴的力矩，获得了组合梁的最终弯曲能力：

公式计算结果和有限元计算结果示于表3中。计算结果表明，通过计算公式在本文中获得的新外包瓦楞纸钢构造复合梁的弯曲轴承能力的平均值为0.80，并且差异为0.001，因为忽略了针对弯曲轴承能力的瓦楞网络。贡献，计算结果相对保守，瓦楞纸网对弯曲轴承能力的影响将通过进一步的研究确认。

表3公式计算结果和有限元计算结果的比较

TAB.3方程和FE计算结果之间的比较

01

综上所述

本文提出了一种新型的外包波纹钢结构复合梁，并在正弯矩的作用下建立了新型复合梁的有限元模型。通过大量的数值参数分析和弯曲轴承能力的理论计算，可以获得以下内容。主要结论：

（1）本文使用Abaqus软件在正弯矩的作用下建立了新外包瓦楞钢凝结复合束的数值分析模型，并分析了复合梁的故障机理。新组合梁的损坏是延性的损伤，在损坏之前有明显的迹象。

（2）本文研究了参数的影响，例如钢强度，混凝土强度，预应力率直径，瓦楞纸厚度和底部钢板厚度对新外包瓦楞钢凝结结合束的弯曲轴承容量。其中，钢的强度，预应力杆的直径和底部钢板的厚度是主要影响因素。钢的强度越大，预应力杆的直径越大，底部钢板的厚度就越大，新组合束的极限弯矩越大。

（3）基于可塑性理论，本文提出了在正弯矩的作用下新组合束的弯曲轴承能力的计算公式。根据有限元分析结果验证了计算公式的准确性和可靠性。该研究结果可以为新外包瓦楞钢制混凝土复合梁的纯弯曲设计和应用提供科学基础。

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