初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响_刘雨晨.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20210474 第一作者:第一作者:刘雨晨,硕士,工程师,主要从事工程管理和组合结构研究,Email:630751260 。初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响刘雨晨1,郑志远2,鄢吉虎2,聂 俊2(1 武汉理工大学基建处,武汉 430070;2 中建三局科创产业发展有限公司,武汉 430100)摘要:为研究初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响,建立了钢梁内嵌式预应力简支组合梁在高温下非线性升温过程受力行为的有限元模型。通过考察梁的破坏形式、跨中挠度、侧向位移、拉索张力以及梁的曲率等关键参数的变化,得到初始几何缺陷对该预应力组合梁抗火性能的影响机理。分析结果表明:对于内嵌钢梁的预应力简支组合梁,初始几何缺陷形式可分为跨中弯扭屈曲和腹板局部屈曲两种,其中跨中弯扭屈曲对该预应力组合梁的抗火性能有一定影响。初始几何缺陷越大,该预应力组合梁跨中挠度随温度升高而下降的速率越大,临界温度更低。由于预应力拉索会随着组合梁变形协调,因此初始几何缺陷越大,同一温度下拉索应力与塑性应变也将更大。在高温破坏时,梁加载点处曲率最大,其次是跨中区段。初始几何缺陷形式影响了梁沿纵向的曲率分布,在第一阶弯扭屈曲形式的初始几何缺陷影响下,梁跨中曲率增大,但整体曲率所有下降;在第四阶弯扭屈曲影响下,梁跨中曲率减小,但整体曲率有所增大。关键词:抗火性能;初始几何缺陷;预应力筋;钢梁内嵌式组合梁;有限元模拟 中图分类号:TU394 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0080-07引用本文 刘雨晨,郑志远,鄢吉虎,等.初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响J.建筑结构,2023,53(3):80-86.LIU Yuchen,ZHENG Zhiyuan,YAN Jihu,et al.Effect of initial geometric defects on fire resistance of steel beam embedded prestressed composite beamsJ.Building Structure,2023,53(3):80-86.Effect of initial geometric defects on fire resistance of steel beam embedded prestressed composite beams LIU Yuchen1,ZHENG Zhiyuan2,YAN Jihu2,NIE Jun2(1 Infrastructure Development Office,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2 China Construction Third Bureau Science and Technology Industry Development Co.,Ltd.,Wuhan 430100,China)Abstract:To investigate the effect of initial geometric defects on the fire resistance of steel beam embedded prestressed composite beams,a finite element model of the stress behavior of steel beam embedded prestressed simply-supported composite beams during nonlinear temperature rise at high temperature was established.The mechanism of the influence of initial geometric defects on the fire resistance of this prestressed composite beam was obtained by examining the changes of key parameters such as failure mode,mid-span deflection,lateral displacement,tensile tension and curvature of the beam.The analysis results show that for the prestressed simply-supported composite beam with embedded steel beams,the initial geometric defects can be divided into two forms:mid-span buckling and web local buckling,among which the mid-span buckling has a certain influence on the fire resistance performance of the prestressed composite beam.The larger the initial geometric defect is,the greater the rate of decrease of the spanwise deflection of this prestressed composite beam with the increase of temperature,and the lower the critical temperature is.Since the presstressed tensile will coordinate with the deformation of the composite beam,so the larger the initial geometric defect,the greater will be the tensile stress and plastic strain at the same temperature.At high temperature damage,the curvature is greatest at the beam loading point,followed by the mid-span section.The initial defect form affects the curvature distribution along the longitudinal direction of the beam.Under the influence of the initial geometric defects in the form of first-order bending and torsional buckling,the curvature in the span increases,but the overall curvature all decreases;under the influence of the fourth-order bending and torsional buckling,the curvature in the span decreases,but the overall curvature increases.Keywords:fire resistance;initial geometric defects;prestressing tendons;steel beam embedded composite beam;finite element simulation 第 53 卷 第 3 期 刘雨晨,等.初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能的影响0引言 近年来预应力组合梁在工程中得到广泛应用,其充分利用了混凝土抗压、钢梁抗拉的特性,同时预应力拉索也大大提高了组合梁抵抗正弯矩的能力1。钢梁内嵌式预应力组合梁因钢梁上翼缘和上部分腹板内嵌入混凝土板中,而具有较强的抗滑移性能,整体性较好;且与一般组合梁相比,钢梁内嵌式预应力组合梁与混凝土板接触面积比较大,混凝土板对钢梁的吸热效应更强,从而使钢梁在高温下会有更好的耐火性能,因此也频繁应用在实际工程建筑中2。实际工程中,钢梁由于制造、加工、运输等影响,不可避免会产生几何缺陷3。据相关研究表明:初始几何缺陷对钢梁的稳定性能有一定影响,其影响幅度主要取决钢梁的破坏形式,而钢梁的破坏形式一般也与结构形式有关4;钢梁腹板和翼缘越薄则初始几何缺陷的敏感性越强5;初始几何缺陷对波纹腹板的抗剪性能影响较小,对翼缘弹塑性屈曲荷载起不利作用6-7;初始几何缺陷对高温下波纹腹板钢梁的侧向刚度和临界温度有较大影响8。可见,在对钢梁进行受力分析时,不能忽略初始几何缺陷的影响。然而,国内外针对初始几何缺陷对钢混组合梁常温下承载力性能的影响未有系统性研究9-10,也未见到高温下温度效应和几何缺陷双重影响下钢混组合梁受力性能研究的报道。因此,本文基于以上考虑,采用有限元软件进行相关数值分析,开展关于初始几何缺陷对钢梁内嵌式预应力组合梁抗火性能影响的研究。1有限元模型建立1.1 预应力组合梁结构 随着预应力技术的成熟,钢梁内嵌式预应力组合梁(简称预应力组合梁)已在越来越多的建筑和桥梁结构中备受青睐。预应力组合梁的结构构造如图 1 所示。采用两端简支,两点加载,边界条件如2 所示。结构为三面受火,钢梁表面未涂防火涂层。1.2 网格单元 采用 ABAQUS 的顺序热-力耦合分析方法模拟标准升温下三面受火的预应力组合梁的抗火性能。结构分析模型中,工字钢梁、端板、加劲肋均采用三维壳 单 元 S4R,混 凝 土 板 采 用 三 维 实 体 单 元C3D8R,钢筋、预应力筋均采用三维桁架单元 T3D2,能很好地模拟构件的真实应力状态11-12。预应力组合梁网格划分如图 3 所示。图 1 预应力组合梁结构构造图 2 预应力组合梁边界条件图 3 预应力组合梁网格划分1.3 材料性能 混凝土采用 ABAQUS 自带的塑性损伤模型,混凝土的受压、受拉及普通钢材应力-应变关系模型皆采用钢-混凝土组合结构设计规程(DL/T 50851999)13中的曲线,高温下拉索材性参考文献14,栓钉材性折减系数参考文献15。预应力组合梁混凝土板强度等级为 C35,钢梁为 Q235 结构钢,钢筋强度等级为 HRB335,常温下栓钉剪力-滑移本构模型如图 4 所示,高温下拉索的本构模型采用文献15中给出的应力-应变关系;拉索采用 S1860 钢绞线。图 4 栓钉剪力-滑移曲线18建 筑 结 构2023 年1.4 施加预应力 分段建立拉索,各段拉锁的端点与相接处加劲肋采用共用节点的方式连接11。采用等效降温法来施加预应力,将预应力拉锁降温使之收缩,以有效模拟预应力张拉过程11。在温度场分析中将拉索视为一个单元,即拉索各段均匀受火。因此截取拉索某一个截面作为壳单元进行温度场分析,壳单元厚度为 1mm,拉索直径为 16mm,其结果代表了整根拉索的温度结果。拉索涂有 5mm 厚防火涂层,防火涂料的密度为727kg/m3,比热容为 1 200J/(kg),导热系数为0.107W/(mk)。1.5 钢梁截面与混凝土板接触 预应力组合梁钢梁截面与混凝土板的接触主要通过栓钉连接和钢筋与腹板焊接,本文栓钉在有限元中采用线性连接单元 Conn3d2 中的 Cartesian-Align 属性,设置轴向上非线性关系来模拟其滑移行为,而其他方向上钢梁上表面与混凝土下表面的平动及转动