許 燕，劉 平

（揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

近年來，鋼－混凝土組合梁和混合梁由于其能很好地發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)勢且便于施工、節(jié)省投資，因此在土木工程建設中受到青睞.［1－6］連接件是影響鋼－混凝土組合梁和混合梁整體受力性能的關鍵元件.與栓釘連接件相比，開孔鋼板連接件施工簡便，不需要專用的焊接設備，連接件抗剪剛度、強度大，能改善鋼筋布置的施工性且不受疲勞的影響，因此應用十分廣泛.［7－8］國內外學者 VALENTE［9］、OGUEJIOFOR［10］、宗周紅［11］、胡建華［12］等人曾提出各自的開孔鋼板連接件承載力計算公式；根據(jù)研究，Eurocode4規(guī)范［13］對開孔鋼板連接件的承載力及構造進行了相關規(guī)定；筆者［14－15］根據(jù)試驗研究，也曾提出孔內不設貫穿鋼筋時的開孔鋼板連接件極限承載力表達式.由于考慮不同的影響因素并采用不同的試件，故現(xiàn)有的有關開孔鋼板連接件承載力的計算公式差異較大.［2，16］目前，國內在進行開孔鋼板連接件設計時，大多要通過試驗來確定其力學性能.開孔鋼板連接件極限承載力試驗不但周期長，費用高，而且試驗過于理想化，并不能反映結構的實際受力情況.隨著計算機技術的發(fā)展，有限元分析已成為結構分析的重要仿真手段.采用非線性有限元法對這種連接件承載力進行數(shù)值分析，可能是比較好的計算方法.為此，本研究采用非線性有限元軟件ANSYS10.0對連接件試件極限承載力進行了數(shù)值分析，并通過與試驗結果及現(xiàn)有公式計算結果的比較，得到一些初步結論.

1 非線性有限元分析

在荷載作用下，當混凝土的某一部分應力超過其材料的彈性極限后，材料的彈性模量將隨著應力的變化而變化，當混凝土的拉應力達到其抗拉極限強度時，混凝土就會產生裂縫，結構的內力和變形將重新分布；因此，在連接件極限承載力的分析中，必須考慮到混凝土開裂、軟化等非線性因素的影響，否則計算結果將產生很大的誤差.基于7組不同的21個孔內不設貫通鋼筋的開孔鋼板連接件試件極限承載力的試驗結果，本研究采用大型有限元軟件ANSYS10.0對連接件試件極限承載力進行了非線性有限元分析.

1.1 混凝土單元的本構模型及屈服準則

1）混凝土單元.采用8節(jié)點Solid65單元模擬混凝土.

2）混凝土單元的本構關系.混凝土材料在空間上可以視為各向同性，但在單軸受力情形下受拉和受壓時相差較大，受拉區(qū)基本上為線彈性，強度僅為受壓強度的1／10左右，而受壓區(qū)在屈服后混凝土“軟化”，本構曲線有下降段.在連接件的非線性有限元分析中，考慮混凝土的塑性變化，其應力－應變關系采用薩恩斯（Saenz）公式.根據(jù)各試件混凝土試塊的試驗結果可得出應力－應變關系.圖1所示為A1組試件混凝土的應力－應變關系.

3）混凝土的破壞準則.本文采用Willam－Warnke 5參數(shù)準則.

1.2 鋼材的本構模型和屈服準則

1）鋼板采用三維實體單元Solid45模擬，鋼筋采用Link8單元模擬.

2）鋼材的本構模型采用bilinear kinematic（BKIN，雙線性隨動強化）彈塑性應力－應變關系，如圖2所示.

圖1 混凝土的應力－應變關系Fig.1 Relation curve of stresses and strains of concrete

圖2 鋼材的應力－應變關系Fig.2 Relation curve of stresses and strains of steel

3）屈服準則是一個可以用來與單軸測試的屈服應力進行比較的應力狀態(tài)標量.對于鋼材而言，Von Mises屈服準則最接近試驗結果.

1.3 模型的建立及荷載施加

在保證單元形狀比較規(guī)則的前提下，應通過采用對稱性等措施盡量減少單元數(shù)量.本文分析屬于材料非線性問題，且單元較多，在分析過程中迭代計算須耗費很長時間，因此根據(jù)結構本身的對稱性建立實際結構的1／4模型進行分析，并將模型分割成多個規(guī)則的區(qū)域，以保證單元的形狀規(guī)則，A組試件的有限元模型見圖3（B組略）.

圖3 開孔鋼板連接件試件的有限元模型Fig.3 The finite element model of the test samples

由于Solid65單元是基于彌散裂縫模型和最大應力開裂判據(jù)，在很多情況下會因為應力集中而使混凝土提前破壞，從而與試驗結果不吻合，因此應用中應對單元劃分進行有效控制，以避免應力集中引起的問題.本文對A組試件的單元劃分控制長度為0.02m，對B組試件則為0.03m.同時，在材料非線性分析中，單元形狀對求解結果影響較大；因此，在單元網(wǎng)格劃分時須采取有效措施保證單元形狀比較規(guī)則，盡量避免出現(xiàn)畸形單元.筆者根據(jù)模型的具體特點，將模型整體分割為多個較為規(guī)則的組成部分，并分別對各部分進行體單元掃掠劃分.這一措施可以保證單元形狀較為規(guī)則并能有效控制單元數(shù)量，從而保證計算結果的準確性.

模型邊界條件：在鋼板孔洞處施加3個方向的位移約束條件，在模型對稱面上施加對稱約束條件.本次分析采用位移加載的方式，即在連接件上表面施加向下的位移.求解采用弧長法，以節(jié)點力相對誤差小于0.05為收斂條件.在迭代次數(shù)超過30次后若仍不收斂，則認為模型已破壞，停止求解.計算結果見表1.

表1 試件極限承載力試驗值與計算值比較Tab.1 Comparison of the calculating results and test values of the ultimate bearing capacity kN

2 開孔鋼板連接件承載力計算公式的比較

由表1可見，A組試件的ANSYS計算值與試驗值誤差小于10%，說明其吻合較好；B1，B2，B3組試件的ANSYS計算值與試驗值誤差分別為9.3%，14.1%，27.1%，這可能與這些試件開孔鋼板的圓孔間距等因素有關，即試件的開孔鋼板圓孔間距越大，其ANSYS計算值越?。ㄔ嚰茐闹饕蛏喜颗c鋼板相連接的混凝土破壞而引起.從裂縫分布圖上可以看出，對于試件A1～A4，鋼板只有一個圓孔，破壞情況與試驗情況比較接近，故計算誤差較??；對于試件B1～B3，鋼板有兩個圓孔，當上部與鋼板相連接的混凝土破壞時，下部圓孔處的混凝土尚未破壞，所以其ANSYS計算值小于試驗值）.總體而言，Eurocode4，OGUEJIOFOR公式的計算值偏大，VALENTE，宗周紅公式的計算值偏?。ㄉ鲜龉接嬎憬Y果表1中未列），筆者公式、非線性有限元法公式、HOSAIN公式及胡建華公式的計算值與本文試驗結果吻合較好.

3 結語

1）在連接件極限承載能力的分析計算中，考慮了混凝土非線性因素的影響.本文采用大型有限元軟件ANSYS10.0對連接件極限承載力進行非線性分析，計算結果與試驗結果吻合較好，因此非線性有限元分析可作為連接件極限承載力的計算方法.

2）由于開孔鋼板連接件極限承載力試驗的試件、試驗方法以及對連接件承載力影響因素的考慮不同，本文提及的部分現(xiàn)有公式的計算結果與試驗結果相差較大.對于孔內不設貫穿鋼筋的開孔鋼板連接件，當鋼板孔徑60mm＜d≤100mm時，筆者公式、HOSAIN公式及胡建華公式的計算值與本文試驗結果及非線性有限元分析結果吻合較好，可供連接件設計時參考.

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