钢与混凝土.docx

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1、中国地质大学（北京）现代远程教育本 科 毕 业 论 文题 目 钢板与混凝土组合梁的有限元分析 英文题目 Finite element Analysis of Steel Plate and concrete Composite Beams 学生姓名 批 次 专 业 学 号 指导教师 职 称 学习中心 知金北京学习中心 2018年 10 月中文摘要近几年来，钢板与混凝土组合梁结构在我国发展很快，在建筑和桥梁结构等领域己经得到越来越多的应用，取得了显著的技术经济效益和社会效益。目前，研究钢板一混凝土组合梁的理论方法主要有弹性设计方法和塑性设计方法。但这些方法计算的结果都与工程实际存在一些偏差，主要

2、是因为钢与混组合梁实际的受力过程比较复杂，影响计算的因素众多，而理论方法不能考虑所有的影响因素。为提高钢一混组合梁理论公式计算的准确性，一些学者在大量试验数据的基础上，对理论公式进行了修正。但修正之后的理论公式比较复杂，给实际工程应用带来了不便。有限元法作为一种新颖有效的方法应运而生，它的原理简单，方法成熟，假设条件少，就能够准确地模组合梁实际的受力情况，得到准确的结果。本文借助有限元软件ansys12.0对钢与混凝土简支组合梁进行建模计算，重点计算考虑滑移效应的组合梁的挠度和自振频率，并探讨不同因素对组合梁挠度和滑移分布的影响规律。关键词：组合梁； 有限元法； 影响AbstractIn re

3、cent years，steel plate and concrete composite beam structure has developed rapidly in our country. It has been applied more and more in the fields of building and bridge structure，and has achieved remarkable technical and social benefits. At present，there are elastic design method and plastic design

4、 method to study steel plate-concrete composite beam. However，there are some deviations between the calculation results of these methods and the engineering practice，mainly because the actual stress process of steel and concrete composite beams is quite complex，and there are many factors affecting t

5、he calculation，but the theoretical method cannot consider all the influencing factors. In order to improve the accuracy of theoretical formula calculation of steel-concrete composite beam，some scholars in the large Based on the experimental data，the theoretical formula is modified. However，the modif

6、ied theoretical formula is more complicated，which brings inconvenience to the practical engineering application. As a novel and effective method，finite element method (FEM) emerges as the times require. Its principle is simple，the method is mature，and the assumption condition is few，so it can accura

7、tely model the actual stress situation of composite beam and obtain accurate results.In this paper，the finite element software ansys12.012.0 is used to model and calculate the steel-concrete simply supported composite beam. The deflection and natural vibration frequency of the composite beam conside

8、ring slip effect are emphatically calculated，and the influence of different factors on the deflection and slip distribution of composite beam is discussed.keyword：composite beams； finite element method； influence 目 录1 引言11.1研究背景11.2研究目的11.3国内外研究现状11.4研究内容22 组合梁相关概述22.1钢与混凝土组合梁在我国发展现状22.1组合梁的分类32.2组合

9、梁的特点43 钢与混凝土简支组合梁的有限元分析53.1有限元方法基本原理和ANSYS软件简介53.2钢与混凝土简支组合梁的有限元建模63.2.1有限元分析的假定63.2.2算例的基本情况63.2.3单元类型的选择83.2.4建立有限元模型83.2.5节点自由度耦合103.3有限元软件计算结果103.3.1组合梁的挠度103.3.2交界面的相对滑移114.组合梁挠度和界面滑移的影响因素分析134.1荷载大小对组合梁挠度和界面滑移的影响134.1.1荷载大小对挠度的影响134.1 .2荷载大小对滑移的影响134.2荷载类型的影响144.2.1荷载类型对挠度的影响154 .2.2荷载类型对滑移的影响

10、164.3混凝土强度对的影响164.3.1混凝土强的对挠度的影响164.3.2混凝土强度对滑移的影响175.结论与展望185.1结论185.2展望18致谢19参考文献201 引言1.1研究背景随着经济的持续快速增长，我国钢材年产量连续多年超过1X10gt，目前已成为世界上钢产量最多的国家，钢结构建筑的应用范围不断的扩大，但与国外的一些发达国家相比，还存在明显的差距l。1997年国家建设部发布中国建筑技术政策(1996-2010年)明确提出发展建筑钢材、建筑结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求，国家的钢结构产业政策随之出现了重大转变，由“节约钢材”过渡到“合理用钢”直至如今“鼓励用钢”的积极的用钢

11、政策。基于政策的变化必然导致传统建筑产业不断的更新和优化，就要求我们不断的培育新兴产业，提高建筑业的整体素质。新材料、新技术、新工艺的应用将使建筑业有一个飞跃性的发展，因此，对新型钢与混凝土组合结构体系的开发和应用将是建筑业面临的一个重要课题。从广义上讲，组合结构是由两种或两种以上材料组成的，能够共同受力、变形协调的结构。钢与混凝土组合结构就是指利用型钢与混凝土形成整体而共同受力、变形协调的结构。一个设计成功的组合结构构件，不仅可以很好地满足现代结构的功能要求，而且还应具有良好的技术经济效益和社会效益。作为在建筑领域最常使用的两种材料，钢与混凝土组合能够充分利用钢材所具有的优越抗拉性能和混凝土

12、所具有的优越抗压性能，从而使材料性能得到合理的利用，是当仁不让的最常用、发展前景最好的组合形态。所以，钢与混凝土组合结构迅速成为继钢结构与钢筋混凝土结构之后兴起的又一种新型结构构种，已经越来越广泛地应用于工业与民用建筑当中。1.2研究目的随着钢与混凝土组合梁的广泛应用，其研究理论也得到相应的发展，从弹性理论到塑性理论是一种进步，从不考虑滑移效应到考虑滑移效应也是一种进步，但是由于这些理论计算的结果仍与实际情况存在一定偏差。究其原因，主要是因为在实际过程中，钢与混凝土组合梁的联合受力情况比较复杂，影响组合梁计算的因素也很多，而理论研究不可能考虑所有因素的影响，事实上，这些理论都只能在一些基本假设

13、的基础上进行理论分析，推导出公式，或者通过大量实验数据对理论公式进行必要的修正。这些修正的半经验半理论公式往往比较复杂，给实际的工程计算带来了诸多不便。如果能探索一种准确而简单的研究方法，对钢与混凝土组合梁结构的发展将会大有裨益，而有限元法就是这样一种新颖有效的研究方法，有限元法原理简单，方法成熟，假设条件少，如果能选择合适的单元类型和边界条件，就能够很准确地模组合梁实际的受力情况，从而得到更加准确的计算结果。1.3国内外研究现状组合梁由于能充分发挥钢与混凝土两种材料的力学性能，在国外得到了广泛的发展与应用。钢与混凝土组合梁的在国外的研究约始于20世纪20年代，最早出现的形式型钢混凝土梁。由于

14、钢梁的耐火性能较差，工程师为了改善这一缺陷，在钢梁外面包裹混凝土，防止钢梁在受热时过早屈服。当时将混凝土和钢材组合起来，并未考虑其两者之间的组合作用，仅仅是为了提高结构的耐火性能。因此，在钢梁与混凝土的交界面上并没有设置机械连接件，钢材和混凝土之间的仅存在粘结力和摩擦力。20世纪30年代，欧美各国对没有连接件的钢与混凝土组合梁进行了试验研究，研究结果表明，如果钢与混凝土组合梁之间没有设置抗剪连接件的，两者的交界面上一旦出现滑移，组合梁马上就开始破坏。因此，人们开始在钢梁与混凝土之间设置机械连接件，尽量防止相对滑移，避免组合梁过早发生破坏。当时，虽然组合梁普遍都设置了机械连接件，但仍然没有考虑两

15、者之间的组合作用，结构设计时仅将组合梁当作两种结构的简单叠加。20世纪40到60年代是组合梁的发展阶段。随着工程实践的发展，人们开始认识到钢与混凝土组合梁的整体受力性能要优于两种构件的简单叠加。在这段时期，世界各国开始对组合梁的组合工作效应进行研究，提出了换算截面法，即将组合截面换算成同一材料的截面后进行计算。另外，对组合梁的关键技术抗剪连接件的研究也取得了很大的进展。M.Ros在大量试验研究的基础上，提出了剪力连接件的设计计算方法。在这一阶段，几乎所有技术先进的国家都制定了有关组合梁的设计规范或规程。1912年，英国人E.S.Andreus首先提出组合梁计算的换算截面法，此方法具有物理意义明

16、确、计算简单、适用于弹性阶段的设计计算等特点。20世纪50年代到60年代，Newmark, Viest和Slutter等对组合梁的基本性能进行了研究。Newmark等提出了“不完全相互作用”理论，考虑了交接面上相对滑移对组合梁性能的影响，所建立的公式具有理论意义，但计算复杂，不便于实际应用。通过大量试验研究，在50年代末建立了用于组合梁设计的极限强度理论。极限强度理论适用于极限状态设计，计算简便，并于60年代中期开始用于组合梁的设计计算。Johnson等从70年代初开始研究组合梁的部分相互作用和延性性能，得到了有关的参数并提出了相应的设计方法。从70年代后期开始，有限元等数值分析方法开始广泛地

17、应用于组合梁的研究。20世纪60年代之后，对组合梁的研究进一步深入和细化，设计理论由弹性理论转为塑性理论，并考虑钢梁与混凝土之间相对滑移对结构受力性能的影响。组合梁研究的重点由正弯矩作用转为对负弯矩作用的研究，由完全抗剪连接转为对部分剪切连接的研究。我国对组合梁的研究起步较晚，但是发展较快。改革开放以前，钢与混凝土组合梁曾在少数工程中得到运用，但当时只是为了提高结构的安全度或者是为了方便施工，并未考虑组合梁的组合效应，而且当时我国没有涉及钢一混组合梁的设计内容的设计规范。改革开放以后，工程建设快速发展，组合梁因其本身良好的技术和经济性能引起广泛的重视，取得了大量研究成果。郑州工学院通过对槽钢剪

18、力连接件的系统试验研究，得到槽钢剪力连接件的极限承载力计算公式。聂建国等考虑了组合梁的滑移效应，通过建立滑移微分方程，提出了折减刚度法，通过这种方法计算出组合梁的截面刚度和抗弯强度与试验结果吻合较好。河海大学等单位对组合梁在部分剪力连接条件下的滑移性能进行系统研究，研究结果表明，组合梁在满足强度和变形的前提下，采取部分剪力连接设计更加经济。哈尔滨工学院等单位通过对连续组合梁进行了试验研究，探讨了连续组合梁的塑性内力重分布性能、负弯矩截面的抗弯承载力，负弯矩区混凝土翼缘的裂缝宽度、钢梁的局部稳定等问题。樊健生在考虑滑移效应的基础上，研究组合梁截面在负弯矩作用下应变分布，提出了改进的弹性承载力计算

19、方法。王景全等提出了组合梁挠度计算的组合系数法，并采用有效刚度计算组合梁的挠度。聂建国还对组合梁的抗震性能进行了研究，房贞政对预应力组合梁进行了一些研究。国内对组合梁的研究主要集中在组合梁的滑移效应、组合梁的极限承载力、剪力连接件极限承载力、组合梁梁的变形与刚度、组合梁的开裂后的性能、部分剪力连接组合梁性能等方向。1.4研究内容本文以钢与混凝土简支组合梁作为研究对象，主要研究的内容如下：（1）通过查阅国内外相关文献资料，探讨钢与混凝土组合梁的工作机理，整理了组合梁计算的基本理论及其使用范围，搜集ansys12.0软件分析组合梁的方法，为组合梁模型的建立奠定理论基础。（2）利用ansys12.0

20、软件对钢一混简支组合梁进行实体建模，探索出利用梁单元模拟栓钉连接件的方法，计算出组合梁在集中荷载作用下滑移量的大小及考虑滑移效应的最大挠度，并通过与理论公式进行比较，验证模型的正确性。（3）通过ansys12.0软件对多组钢一混简支组合梁进行计算分析，得到荷载大小、荷载类型、混凝土强度和抗剪连接程度等对组合梁挠度和相对滑移的影响规律。2 组合梁相关概述2.1钢与混凝土组合梁在我国发展现状近年来，钢与混凝土组合梁结构在我国发展很快，在建筑和桥梁等领域已经得到越来越多的应用，并取得了显著的技术经济效益和社会效益。因此我国在新修订的钢结构设计规范(GB50017-2003)中对普通钢与混凝土组合梁设

21、计条文又进行了补充与改进。主要增加了连续组合梁负弯矩区的设计计算方法;计算组合梁挠度的折减刚度法;部分剪力连接组合梁的设计方法;压型钢板混凝土组合梁的设计计算及构造特点;混凝土叠合板组合梁的设计等。根据规范讲解，钢结构设计规范(GB50017-2003 )中关于组合梁设计条款主要是针对普通钢与混凝土组合梁，而不包括型钢混凝土组合梁或钢骨混凝土组合梁和外包钢与混凝土组合梁。在2001年颁布的建设部行业标准型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ138-2001)中对型钢混凝土组合梁设计方法有了新的明确规定，而在此之前，这种结构的设计只能参考冶金部的行业标准钢骨混凝土结构技术规程(YB9082-97 )

22、 。钢与混凝土组合梁在我国从20世纪50年代后期开始用于铁路桥梁中，20世纪70年代发展到工业建筑;20世纪80年代后，又发展到高层建筑以及公路和城市桥梁中，应用日益广泛。总之，随着研究的深入和规范完善，多样性的钢与混凝土组合梁将在我国诸如高层建筑、桥梁、隧道和港口等大跨、大空间、重荷或动荷载作用的工程结构中发挥巨大的作用。近年来，我国在上海、北京等地相继建成了一批组合结构高层建筑，主要代表有:上海的瑞金大厦、静安希尔顿饭店、金茂大厦、森茂大厦、世界金融大厦、天目宾馆等;北京的香格里拉饭店、京城大厦、国贸大厦、京广大厦、赛特大厦等:深圳的地王商业大厦、鸿昌大厦、深圳发展中心大厦、亚洲大酒店、文

23、锦广场大厦等。另外，在广州、大连、重庆等地也先后建成了一批组合结构的高层建筑。随着理论方法和施工技术的不断成熟发展，组合结构以其优越的性能，必会被广泛地应用于包括桥梁在内的各种建筑结构中。钢板一混凝土组合构件中的钢板既可以代替受力钢筋，又可作为施工阶段的模板，具有良好的受力性能和施工性能。除以上所述优点外，钢板一混凝土组合构件还有抗爆、抗渗、抗冲击等特点，在地下隧道、近海及陆地的多种结构中，特别是诸如气体和液体的生产和储存槽、核电站、高层建筑的核心剪力墙，以及抗冲击和抗爆结构中有所应用。工程实践和科研表明，推广应用钢与混凝土组合梁符合我国基本建设的国情，有利于促进国民经济建设的发展。尽管钢与混

24、凝土组合梁近年来在我国取得了长足的发展，如何更好的发挥它在工程结构中的优势需要政府主管部门、设计和施工单位取得更广泛的共识。要注重钡一混凝土组合梁用于工程所带来的综合效益。组合梁更多、更广泛的应用必将推动钢与混凝土组合结构的进一步发展。2.1组合梁的分类常见的钢与混凝土组合结构分为.外包钢混凝土结构；.压型钢板混凝土组合楼板；.钢骨混凝土结构；.钢与混凝土组合梁；.钢管混凝土结构等五类。其中外包钢混凝土结构是在钢筋混凝土构件外侧包有钢板或角钢的结构，有利于克服装配式钢筋混凝土构件在吊运、安装过程中棱角易破损等缺点；压型钢板混凝土组合楼板是在带有各种形式的凹凸肋或各种形式槽纹的钢板上浇注混凝土而

25、制成的组合楼板通过剪力连接件与钢梁连接起来，形成整体而共同受力和协调变形的一种组合楼板体系；钢骨混凝土结构是在钢筋混凝土内部埋置型钢或焊接钢构件而形成的结构，根据埋置的钢构件又可具体分为实腹式钢骨混凝土构件和空腹式钢骨混凝土构件；钢与混凝土组合梁是通过剪力连接件将钢梁与混凝土板连接起来而共同受力、变形协调的一种梁；钢管混凝土是在螺旋钢箍的混凝土结构和钢管结构的基础上演变发展起来的，其应用己有近百年历史，不少国家都制定了这种结构的规范或规程。钢与混凝土组合梁大体上可分为两类，一为外包混凝土组合梁(见图1(a)，也称为型钢与混凝土梁或劲性混凝土梁；另一种为钢梁外露的组合梁(见图1（b）)，即钢与混

26、凝土组合梁。 （a）外包混凝土组合梁 （b）钢梁外露的组合梁图1.钢与混凝土组合梁的类型组合梁截面由钢梁、翼板或板托和剪力连接件等组成。在实际工程中，组合梁的形式多种多样，通常根据组合梁中板托的设置情况、混凝土翼板的形式以及钢梁与混凝土翼板接触面上的滑移大小等条件进行分类。按板托的设置情况可分为两类：带板托和不带板托(见图2(a)，(b)）。根据翼板的不同，组合梁可分为现浇钢筋混凝土翼板组合梁、预制钢筋混凝土翼板组合梁、带压型钢板的现浇钢筋混凝土翼板组合梁以及叠合板翼板组合梁四类(见图3(a)，(b)，(c)， (d)）。依据组合梁中钢梁与混凝土翼板接触面上滑移的大小可分为完全抗剪连接和部分抗

27、剪连接两类。本文研究的课题：现浇钢筋混凝土翼板组合梁，它己经在美国、加拿大等欧美发达国家在试验研究基础上得到了广泛的应用，我国自20世纪50年代开始使用组合梁，目前应用范围已涉及建筑、桥梁、地下结构等领域。 (a) 有板托 (b)无板托图2.有、无板托的组合梁截面形式 (a) 现浇混凝土翼板 (b)带压型钢板的现浇混凝土翼板 (c)预制钢筋混凝土翼板 (d)叠合板翼缘组合梁图3.不同翼板组合梁截面形式2.2组合梁的特点组合梁是一种常见的组合结构形式，由于其能够充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的优越性能，因而不但可以很好的满足结构的功能要求，而且还具有良好的技术经济效益。组合梁主要有以下优点：(

28、1)组合梁与钢梁或钢筋混凝土梁相比，可以减少结构高度，通常梁高可降低十几厘米，对于高层建筑若每层高度降低十多厘米，数十层累计将是一个很可观的数字。国内有许多改建扩建工程，由于采用了组合梁结构方案，使净空高度受限制的问题获得圆满解决；(2)可利用钢梁上组合楼板混凝土的受压作用，增加梁截面的有效高度，提高梁的抗弯承载力和抗弯刚度，从而节省钢材和降低造价；(3)受压区的混凝土板钢度较大，能够有效的避免钢梁失稳，使钢梁用于防止失稳方面的材料大大节省。(4)截面刚度较钢梁大，既提高了自振频率，国内实践表明，对于某些承受竖向低频震动荷载的大跨平台结构，采用钢梁方案时，容易发生共振，这时在不增加截面尺寸的前

29、提下，将混凝土楼板与钢梁组合在一起，采用钢与混凝土组合梁，可避开可能发生的共振频率区，使结构的动力性能有所改善；(5)与普通的钢筋混凝土结构相比，它减轻了重量，降低了构件的截面高度，增大了构件的延性，且具有更高的强度；（6）抗冲击、抗疲劳性能好。实际工程表明用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力；(7)节约钢材，降低工程造价，有利于控制施工质量和提高施工速度。考虑了组合作用以后，可减少钢材用量，从而降低工程的成本。在一般的建筑工程中，组合梁中的钢梁部分都是在工厂中加工，在现场进行拼装，因而施工质量可以得到控制。同时，可以利用钢梁作为混凝土的模板支承，简化施工工艺。组合梁的不

30、足之处主要表现在：(l)耐火等级差，对耐火等级要求高的结构需对钢梁涂耐火材料，或做其它防护措施；(2)为防止混凝土翼板与钢梁产生滑移因而需增加一道焊接连接件的工序，有的连接件还需专门的焊接工艺。3 钢与混凝土简支组合梁的有限元分析3.1有限元方法基本原理和ANSYS软件简介有限元法是适应电子计算机的使用而发展起来的一种比较新颖和有效的数值计算方法。这种方法大约起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。有限元法的基本思想是离散的思想，把复杂连续几何体离散成数目有限互不重合的简单单元，单元与单元之间仅在节点处连接，选定节点值作为基本未知量假设一个近似插值函数来近似表示单元中场函数的分布规

31、律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自白度问题转化为离散域中的有限自由度问题。有限元法分析问题的基本步骤如下：（1）连续体的离散化。假想把连续系统分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的节点处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷或边界条件，代替实际作用于系统上的外载荷或边界条件。（2）单元分析。即对单元的特性进行分析，按一定的规则建立求解未知量与节点之间的关系。（3）整体分析。把所有单元的特性关系按变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量为未知量的代数方程组，求解方程组得到节点处的

32、待求变量。有限元法原理简单，方法成熟，在工程结构问题的分析中有着广泛的应用。这种方法有很多优点主：既能处理结构问题，也能处理非结构问题；能够很容易地模拟形状不规则的结构；能够轻松地处理一般的荷载条件；能够模拟不同材料构成的物体；能够处理大量的各种类型的边界条件；改变有限元模型比较容易，作为试验工具，具有相当的经济性；能够处理动态问题；能够处理大变形和非线性问题。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中高级CAE工具之一ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，在航空航天、

33、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等工业领域具有广泛地应用。软件提供了100种以上的单元类型，可以准确模拟工程中的各种结构和材料。软件主要包括三个前处理模块，分析计算模块和后处理模块三个部分。前处理模块提供了强大的实体建模及网格划分工具，方便用户构造各种有限元模型。分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以多种形式显示，方便用户查看和提取计算结果。3.2钢与混凝土简支组合梁的有限元建模钢与混凝土结构组合梁是一种相对复杂的

34、结构，对于它的研究，关键是找到一个合理的研究方法。现行的研究分析方法主要是在一定假设条件下的理论分析方法，或者是结合大量试验数据的半理论半经验分析方法。尽管这些方法计算的结果与实际情况十分接近，在一定程度上也能够满足工程设计需要，但是仍然有很多问题不能准确的分析。组合梁是由钢梁与钢筋混凝土翼板通过剪力连接件的连接成整体而共同工作的结构，在受力过程中，交界面处不可避免存在纵向剪力和相对滑移，要研究纵向剪力和滑移量的大小和规律，利用传统的方法很难得出结果。有限元软件提供了一种可靠的研究组合梁问题的方法。相比于理论研究方法，有限元法假定条件少，能够更准确地模拟组合梁的实际受力情况；相比于试验方法，有

35、限元法能够排除试验中各种因素的干扰，得到的结果更准确，而且省时省力，节约资源。总之，有限元法为组合结构的研究提供了一种合理可靠高效的分析方法。本章拟利用大型有限元软件ANSYS 12.0对钢与混凝土简支组合梁进行研究分析，重点研究钢梁与混凝土翼板界面的滑移量及考虑滑移的挠度特征，希望能为组合梁的理论研究和工程设计提供一些参考。3.2.1有限元分析的假定采用有限元法分析钢与混凝土简支组合梁时，为方便建模和计算，有如下假定：（1）混凝土和钢材均为理想弹性体，不考虑混凝的徐变，不考虑材料的非线性特征；（2）钢筋混凝土翼板不扣除受拉开裂的部分，按实际面积计算;（3）不计板托面积;（4）忽略混凝土翼板中

36、的钢筋;（5）钢梁与混凝土之间仅考剪力连接件发生作用，不考虑两者之间的粘结力和摩擦力。3.2.2算例的基本情况某等截面钢与混凝土组合简支梁，跨度为6m，上部翼板采用C30混凝土浇筑而成，其中配置有构造钢筋，下部采用工字钢梁，钢材型号为Q235。混凝土翼板与钢梁之间通过栓钉连接，栓钉采用16，长50mm，栓钉沿梁纵向分两列均匀布置，纵向间距为0.15m 。混凝土采用C30，抗压强度设计值关=14.3N/mm2，弹性模量EC=3x105MPa，泊松比0.17。 Q235钢材的抗拉强度设计值fc = 215N/ mm2，弹性模量E = 2.06 x 106MPa，泊松比0.3。栓钉材料的性能等级为4

37、.6级，强屈比为y=1.67。跨中受一集中力P，设计值为500kN 。混凝土翼板内的有效宽度为0.8m，其他尺寸见钢一混组合简支梁横断面图。图4.钢一混组合简支梁横断面图（单位mm）253.2.3单元类型的选择算例提供的钢与混凝土简支组合梁，由混凝土翼板、构造钢筋、钢梁和栓钉连接件几个部分组成，其中构造钢筋的布置比较复杂，为简化建模计算，忽略构件钢筋对结构性能的影响。（1）钢梁采用solid45单元solid45单元是常用的六面体的实体单元，它可以退化为棱柱体和四面体，用于构造三维固体结构，单元有8个节点，可以用各向同性的材料参数来定义，每个节点有沿着xyz方向平移的三个自由度。单元还具有塑性

38、、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特殊功能。（2）混凝土翼板也采用solid45单元在ansys软件中有专门模拟混凝土的solid65单元，它与solid45单元的相似，但是增加了描述开裂与压碎的特殊性能，而且能够对材料的非线性进行处理。其可很好地模拟混凝土的开裂、压碎、塑性变形、徐变和非线性特征。但是根据组合梁有限元分析中混凝土和钢材均为理想弹性体的基本假定，本文并不研究混凝土的开裂压碎和非线性问题，因此，为简化建模和计算过程，混凝土翼板仍采用solid45单元。（3）栓钉采用beam188单元栓钉是连接钢梁与混凝土翼板协同工作的关键部件，其工作机理与混凝土的约束程度有密切的联系，栓钉

39、底部传递的建立与混凝土的被动反力是栓钉处于受剪、受弯和受拉的复杂受力状态。在弹性状态下，栓钉的受力状态类似与弹性地基梁，周围的混凝土具有良好的塑性，类似于弹性地基。因此可以采用beam188单元来模拟栓钉的受力状况。Beam188是一个二节点的三维线性梁。每个节点有六个或者七个自由度，节点坐标系的x， y， z方向的平动和绕x，y，z轴的转动。当KEYOPT(1)=1时，每个节点有七个自白度，这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。这个单元非常适合线性、大角度转动和非线性大应变问题。采用beam188单元时，梁单元在模型中的位置与栓钉在实际结构中的设置一致，但是当钢梁和混凝土翼板采用实体单元时

40、，由于两种单元节点的自由度数目不一样，需要将梁单元上的和实体单元连接处的节点与实体单元节点进行平移(x，y，z)和转动(rotx， roty， rotz)自由度耦合，以保证栓钉与混凝土翼板和钢梁共同工作。3.2.4建立有限元模型Ansys中不存在单位制，单位制的使用全在用户自己掌握，关键是我们在使用各个量的单位时必须统一，为了防止单位混淆，本文ansys中采用表1中的单位制。表1.ansys单位制长度质量时间力弹性模量/应力密度加速度mkgsNPakg/m3m/s2通常，按照下列步骤建立有限元模型：（1）指定单元类型：表2.组合梁单元类型单元编号单元类型实体类型1solid45钢梁和混凝土翼板

41、2beam188栓钉连接件（2）定义材料属性：表3组合梁材料属性材料编号材料名称材料属性弹性模量(Pa)泊松比密度(kg/m3)1钢材/栓钉各向同性线弹性3e110.37. 8e32混凝土各向同性线弹性2.06e100.172.5e3（3）定义截面特性：表4 组合梁梁单元截面特性截面编号截面名称截面特性1圆截面半径0.008m（4）建立实体模型对于混凝土翼板和钢梁，采用点、线、面、体的顺序建立实体模型。对于栓钉，不建立实体模型，但在混凝土和钢梁实体上相应位置设置关键点定位，通常划分单元时，在关键点处会生成节点，这样就方便栓钉单元的建立。建立的组合梁实体模型如图5所示。图5 钢一混组合梁实体模型

42、（5）生成有限元模型在进行网格划分时，一般网格划分越密，计算精度越高，但是消耗的时间越多，在综合权衡计算精度和时间两个矛盾的因素后，钢梁和混凝土翼板划分网格的控制尺寸分别为0.01m和0.025m，划分的方法采用体扫略(sweep)的方法，生成六面体单元。对于实体结构，生成六面体单元比生成四面体单元具有明显的优点：1)同一模型，采用相同的尺寸控制条件，网格划分时生成六面体单元数量要比四面体要少的多，这样不仅减少了网格划分的时间，也减少了运算求解的时间，时间的减少也降低了计算机的内存消耗。2)网格划分时，六面体单元比四面体单元具容易控制。3)六面体单元节点比四面体多，计算的精度也比四面体单元高。

43、直接将栓钉相应位置的钢梁单元节点和混凝土单元节点通过beaml88单元连接，生成栓钉单元。最终生成的的有限元模型如图6所示，一共有单元186318个，节点253836个。图6 钢一混组合梁有限元模型(6)施加位移约束和荷载对于简支梁，梁左端为固定铰链支座约束，右端为活动铰链支座约束。故在有限元模型中钢梁底部左侧所有节点施加。，uy， u2的位移约束，在右侧施加ux，uy的位移约束。不考虑重力作用，仅在跨中混凝土翼板中心位置施加向下集中力P = 500kN。3.2.5节点自由度耦合在ansys建模计算过程中，有时为了简化模型，在模型中会采用梁、壳和实体不同的单元类型。但是不同类型的单元，其节点的

44、自由度有可能不同，如果直接将不同自由度的两节点相连，ansys是不能计算的。因此，为了保证节点的变形协调，需要将不同单元节点(但在同一位置)的自由度取得相同的值，也就是就需要将这些节点的自由度祸合在一起。3.3有限元软件计算结果选择静力分析(static )，对钢与混凝土简支组合梁有限元模型进行计算，之后在后处理器中查看结果。3.3.1组合梁的挠度简支组合梁的挠度可以通过查看有限元模型各节点的竖向位移获得，节点的竖向位移云图如下：图7.组合梁竖向位移云图 由节点竖向位移云图知，简支组合梁的挠度关于跨中截面对称，由端部向跨中逐渐增大，在跨中位置达到最大，最大值为0.006981m。3.3.2交界面的相对滑移组合梁结构中，钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移，是沿梁纵向的相对错动，因此在ansys软件计算的结果中，可以通过查看栓钉单元上下两节点的纵向(Z轴方向)的相对位移来描述这种相对滑移。有限元模型中的梁单元有两列，梁单元的单元编号为1-78，节点编号为1-156，其中节点1-39和79-117在钢梁单元上，节点40-78和118-156在混凝土单元上。查看梁单元各节点的z向位移，将结果列入下表：节点号Z向位移节点号Z向位移节点号Z向位移节点号Z向位移1234