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[摘要]本文运用ANSYS有限元软件分别建立三种剪力连接件形式的钢与轻骨料混凝土组合梁模型进行非线性分析。分析了三种不同剪力连接件的应力分布变化规律，同时对不同剪力连接件形式下的钢与轻骨料混凝土组合梁的交界面滑移规律进行分析。为以后的组合梁研究工作奠定了基础，并方便了日后的设计工作。
[关键词]钢与轻骨料组合梁；剪力连接件；ANSYS；非线性分析
中图分类号：TU39819 文献标识码：A 文章编号：
*
随着经济建设的迅速发展以及生产工艺的变革，建筑结构向着大跨度及多功能方向发展，建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，各种新的结构形式不断涌现。钢与轻骨料混凝土组合结构是继钢结构、钢筋混凝土结构之后出现的新型结构形式。
钢与轻骨料混凝土这两种材料力学性能相差较大，具有一定的非线性。两种性质不同的材料钢与轻骨料混凝土必须有效、可靠地结合在一起，作为整体共同工作，才能充分发挥其组合作用，这种组合效果主要是由剪力连接件发挥的作用，连接部位的抗剪连接件处受力复杂又是容易产生疲劳破坏的地方。
剪力連接件的作用为：一是全部或部分承受轻骨料混凝土板与钢梁界面上的纵向剪力；其次是全部或部分阻止界面处轻骨料混凝土板与钢梁的纵向滑移；第三要能抵御使轻骨料混凝土板与钢梁上下分离的“掀起力”[1]。为掌握剪力连接件的真实受力情况，本文采用ANSYS软件分别建立钢与轻骨料混凝土组合梁的有限元模型，采用三种不同剪力连接件进行对比分析并对其进行空间有限元分析。根据研究的结果，选定一种较优越的剪力连接件用于工程中，为以后的钢与轻骨料混凝土组合梁的设计、施工技术研究提供参考。
1材料属性与数值模型的建立
1.1 材料属性
利用ANSYS软件对钢-轻骨料混凝土梁进行模拟计算时，混凝土、钢筋、碳纤维的材料属性按如下选取：
1）轻骨料混凝土应力—应变关系[2]
采用图1-1所示的曲线，描述轻骨料混凝土材料受荷过程中所经历的弹—塑—压碎和开裂等特点。其中曲线方程为：
（1）
式中， ； ；其中 ，
：混凝土轴心抗压强度。
图1-1 混凝土应力—应变关系曲线图
2）工字钢应力—应变关系
工字钢看作为一种理想的弹塑性材料，其应力—应变关系取理想弹塑性模型，如图1-2所示。
图1-2 工字钢应力—应变曲线图
3）剪力连接件应力—应变关系
将剪力连接件也看作为一种理想的弹塑性材料，其应力—应变关系取理想弹塑性模型，如图1-3；
图1-3 剪力连接件应力—应变曲线
1.2 有限元中各种材料的真实模拟
为真实反映出各种材料的力学特点，结合ANSYS软件中的各单元特点，选用solid65单元模拟轻骨料混凝土材料，该单元可以较真实的模拟混凝土材料在受力过程中的压塑、开裂等非线性特点， 钢梁单元类型为solid45；
梁体总长4150 ，简支计算长度4000 ，轻骨料混凝土翼缘板截面为800×80 ，工字钢采用A3钢。
1.3 数值模型的建立
按照实际模型梁的设计尺寸建立数值模型，考虑到实际情况中，每种材料是相互连接的。采用共用节点法来实现三种不同单元间的连接，其中，梁的约束形式为简支梁，加载方式为四点弯曲加载[3] [4] 。有限元模型加载图如图1-4所示：
图1-4 有限元模型图
2剪力连接件有限元分析
2.1 栓钉剪力连接件有限元分析
栓钉单元类型为beam188，栓钉直径为16 ，高度为65 ，按照塑性设计理论采用完全剪力连接沿梁跨方向均匀布置（间距105 ）。
在ANSYS模型中，从轻骨料混凝土板的受力来看，轻骨料混凝土仍然是以受压为主，只是在轻骨料混凝土板的顶部出现拉应力。
图2-1 轻骨料混凝土板与栓钉接触处正应力（SX）云图
图2-2 栓钉剪力连接件剪应力（SXY）云图
从栓钉剪力连接件周围轻骨料混凝土局部正应力云图图2-1可以看出，栓钉根部处轻骨料混凝土承受的压力最高，沿栓钉的高度方向逐渐降低。当栓钉剪力连接件极限承载力较高时，栓钉根部轻骨料混凝土极易被压碎。而栓钉自身的受力以受压为主，且处于弹性变形。
从栓钉剪力连接件沿高度方向的各节点水平剪应力分布图图2-2可以发现，在外荷载的作用下，栓钉所受的纵向剪力大部分作用在栓钉的根部，栓钉截面仅受一小部分。而栓钉根部处的轻骨料混凝土因承受局部压力先破坏，并迫使栓钉上部变形而受到弯矩、轴力和钢梁的联合作用，使栓钉处于弯、剪、拉（压）的复杂受力状态。
2.2槽钢剪力连接件有限元分析
槽钢剪力连接件采用solid65实体单元，槽钢高65 ，腿宽100 ，腰厚为10 。
图2-3 槽钢剪力连接件网格划分图
通过ANSYS分析可知，槽钢在受力过程中主要是底部下翼缘受力较大，在腹板底部和下翼缘角点附近有较大的应力集中现象，槽钢上翼缘一般受力较小。因而槽钢剪力连接件的破坏首先从腹板底部开始，在受到较大荷载的情况下，槽钢下翼缘可能和工字钢上翼缘脱离，造成组合梁整体破坏。
图2-4 槽钢剪力连接件剪应力（SXY）云图
2.3弯筋剪力连接件有限元分析
弯筋剪力连接件采用solid65实体单元，采用直径为16 的Q235级钢筋，水平段长度为250 。
图2-5 弯筋剪力连接件网格划分图
由弯筋连接件正应力（SX）云图图2-6可知，弯筋剪力连接件在组合梁中主要以下部和工字钢焊接在一起的弯筋受力为主，下部弯筋和弯起段钢筋受到较大的应力作用。从弯筋连接件剪应力（SXY）云图图2-7可知，弯筋连接件下部钢筋剪应力最大，由此可见，弯筋连接件易于在周围轻骨料混凝土中引起较高的应力集中，承受拉力与剪力联合作用，结果引起轻骨料混凝土压碎或剪切破坏。
图2-6 弯筋剪力连接件正应力（SX）云图
图2-7弯筋剪力连接件剪应力（SXY）云图
4 结 语
1）在轻骨料混凝土组合梁中，不同的剪力连接件对钢与轻骨料混凝土组合梁的极限承载力有很大影响。采用槽钢剪力连接件形式的轻骨料混凝土组合梁极限承载力最大，而采用栓钉剪力连接件的轻骨料混凝土组合梁极限承载力次之，采用弯筋剪力连接件的轻骨料混凝土组合梁极限承载力最小。如图4-1。
图4-1不同剪力连接件形式组合梁荷载-位移曲线
2）在钢与轻骨料混凝土组合梁中，采用不同的剪力连接件布置形式对组合梁轻骨料混凝土板与工字钢的交界面纵向滑移有不同的影响，如图4-2。
（1）在组合梁受外荷载作用初期，整个组合梁处于弹性工作阶段，沿梁长的滑移分布比较平缓，说明剪力连接件所受剪力比较均匀，随着外荷载的不断增加，交界面滑移发生了明显的变化，滑移沿梁长分布值差异明显增大。
（2）在荷载作用下，交界面相对滑移最大值既不发生在梁端，也不发生在梁跨中，而是发生在距梁端三分之一处附近。
（3）随着剪力连接件的刚度的增大，相应的相对滑移呈减小趋势，但变化不明显。
（4）因为槽钢连接件在组合梁中和轻骨料混凝土包裹较好，所以采用槽钢剪力连接件的组合梁整体滑移较小。
图4-2 荷载 情况下不同连接件剪切滑移应变差沿梁纵向分布图
参考文献：
[1] 王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].北
京：科学出版社，2005
[2]A.S.Elnashai&B.M.Broderick&P.J.Dowling，
Earthquake-resistant composite steel/concrete
Structure[J]，The Structural Engineer，2001
[3] 李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应
用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003
[4] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人
民邮电出版社，2005
[关键词]钢与轻骨料组合梁；剪力连接件；ANSYS；非线性分析
中图分类号：TU39819 文献标识码：A 文章编号：
*
随着经济建设的迅速发展以及生产工艺的变革，建筑结构向着大跨度及多功能方向发展，建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，各种新的结构形式不断涌现。钢与轻骨料混凝土组合结构是继钢结构、钢筋混凝土结构之后出现的新型结构形式。
钢与轻骨料混凝土这两种材料力学性能相差较大，具有一定的非线性。两种性质不同的材料钢与轻骨料混凝土必须有效、可靠地结合在一起，作为整体共同工作，才能充分发挥其组合作用，这种组合效果主要是由剪力连接件发挥的作用，连接部位的抗剪连接件处受力复杂又是容易产生疲劳破坏的地方。
剪力連接件的作用为：一是全部或部分承受轻骨料混凝土板与钢梁界面上的纵向剪力；其次是全部或部分阻止界面处轻骨料混凝土板与钢梁的纵向滑移；第三要能抵御使轻骨料混凝土板与钢梁上下分离的“掀起力”[1]。为掌握剪力连接件的真实受力情况，本文采用ANSYS软件分别建立钢与轻骨料混凝土组合梁的有限元模型，采用三种不同剪力连接件进行对比分析并对其进行空间有限元分析。根据研究的结果，选定一种较优越的剪力连接件用于工程中，为以后的钢与轻骨料混凝土组合梁的设计、施工技术研究提供参考。
1材料属性与数值模型的建立
1.1 材料属性
利用ANSYS软件对钢-轻骨料混凝土梁进行模拟计算时，混凝土、钢筋、碳纤维的材料属性按如下选取：
1）轻骨料混凝土应力—应变关系[2]
采用图1-1所示的曲线，描述轻骨料混凝土材料受荷过程中所经历的弹—塑—压碎和开裂等特点。其中曲线方程为：
（1）
式中， ； ；其中 ，
：混凝土轴心抗压强度。
图1-1 混凝土应力—应变关系曲线图
2）工字钢应力—应变关系
工字钢看作为一种理想的弹塑性材料，其应力—应变关系取理想弹塑性模型，如图1-2所示。
图1-2 工字钢应力—应变曲线图
3）剪力连接件应力—应变关系
将剪力连接件也看作为一种理想的弹塑性材料，其应力—应变关系取理想弹塑性模型，如图1-3；
图1-3 剪力连接件应力—应变曲线
1.2 有限元中各种材料的真实模拟
为真实反映出各种材料的力学特点，结合ANSYS软件中的各单元特点，选用solid65单元模拟轻骨料混凝土材料，该单元可以较真实的模拟混凝土材料在受力过程中的压塑、开裂等非线性特点， 钢梁单元类型为solid45；
梁体总长4150 ，简支计算长度4000 ，轻骨料混凝土翼缘板截面为800×80 ，工字钢采用A3钢。
1.3 数值模型的建立
按照实际模型梁的设计尺寸建立数值模型，考虑到实际情况中，每种材料是相互连接的。采用共用节点法来实现三种不同单元间的连接，其中，梁的约束形式为简支梁，加载方式为四点弯曲加载[3] [4] 。有限元模型加载图如图1-4所示：
图1-4 有限元模型图
2剪力连接件有限元分析
2.1 栓钉剪力连接件有限元分析
栓钉单元类型为beam188，栓钉直径为16 ，高度为65 ，按照塑性设计理论采用完全剪力连接沿梁跨方向均匀布置（间距105 ）。
在ANSYS模型中，从轻骨料混凝土板的受力来看，轻骨料混凝土仍然是以受压为主，只是在轻骨料混凝土板的顶部出现拉应力。
图2-1 轻骨料混凝土板与栓钉接触处正应力（SX）云图
图2-2 栓钉剪力连接件剪应力（SXY）云图
从栓钉剪力连接件周围轻骨料混凝土局部正应力云图图2-1可以看出，栓钉根部处轻骨料混凝土承受的压力最高，沿栓钉的高度方向逐渐降低。当栓钉剪力连接件极限承载力较高时，栓钉根部轻骨料混凝土极易被压碎。而栓钉自身的受力以受压为主，且处于弹性变形。
从栓钉剪力连接件沿高度方向的各节点水平剪应力分布图图2-2可以发现，在外荷载的作用下，栓钉所受的纵向剪力大部分作用在栓钉的根部，栓钉截面仅受一小部分。而栓钉根部处的轻骨料混凝土因承受局部压力先破坏，并迫使栓钉上部变形而受到弯矩、轴力和钢梁的联合作用，使栓钉处于弯、剪、拉（压）的复杂受力状态。
2.2槽钢剪力连接件有限元分析
槽钢剪力连接件采用solid65实体单元，槽钢高65 ，腿宽100 ，腰厚为10 。
图2-3 槽钢剪力连接件网格划分图
通过ANSYS分析可知，槽钢在受力过程中主要是底部下翼缘受力较大，在腹板底部和下翼缘角点附近有较大的应力集中现象，槽钢上翼缘一般受力较小。因而槽钢剪力连接件的破坏首先从腹板底部开始，在受到较大荷载的情况下，槽钢下翼缘可能和工字钢上翼缘脱离，造成组合梁整体破坏。
图2-4 槽钢剪力连接件剪应力（SXY）云图
2.3弯筋剪力连接件有限元分析
弯筋剪力连接件采用solid65实体单元，采用直径为16 的Q235级钢筋，水平段长度为250 。
图2-5 弯筋剪力连接件网格划分图
由弯筋连接件正应力（SX）云图图2-6可知，弯筋剪力连接件在组合梁中主要以下部和工字钢焊接在一起的弯筋受力为主，下部弯筋和弯起段钢筋受到较大的应力作用。从弯筋连接件剪应力（SXY）云图图2-7可知，弯筋连接件下部钢筋剪应力最大，由此可见，弯筋连接件易于在周围轻骨料混凝土中引起较高的应力集中，承受拉力与剪力联合作用，结果引起轻骨料混凝土压碎或剪切破坏。
图2-6 弯筋剪力连接件正应力（SX）云图
图2-7弯筋剪力连接件剪应力（SXY）云图
4 结 语
1）在轻骨料混凝土组合梁中，不同的剪力连接件对钢与轻骨料混凝土组合梁的极限承载力有很大影响。采用槽钢剪力连接件形式的轻骨料混凝土组合梁极限承载力最大，而采用栓钉剪力连接件的轻骨料混凝土组合梁极限承载力次之，采用弯筋剪力连接件的轻骨料混凝土组合梁极限承载力最小。如图4-1。
图4-1不同剪力连接件形式组合梁荷载-位移曲线
2）在钢与轻骨料混凝土组合梁中，采用不同的剪力连接件布置形式对组合梁轻骨料混凝土板与工字钢的交界面纵向滑移有不同的影响，如图4-2。
（1）在组合梁受外荷载作用初期，整个组合梁处于弹性工作阶段，沿梁长的滑移分布比较平缓，说明剪力连接件所受剪力比较均匀，随着外荷载的不断增加，交界面滑移发生了明显的变化，滑移沿梁长分布值差异明显增大。
（2）在荷载作用下，交界面相对滑移最大值既不发生在梁端，也不发生在梁跨中，而是发生在距梁端三分之一处附近。
（3）随着剪力连接件的刚度的增大，相应的相对滑移呈减小趋势，但变化不明显。
（4）因为槽钢连接件在组合梁中和轻骨料混凝土包裹较好，所以采用槽钢剪力连接件的组合梁整体滑移较小。
图4-2 荷载 情况下不同连接件剪切滑移应变差沿梁纵向分布图
参考文献：
[1] 王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].北
京：科学出版社，2005
[2]A.S.Elnashai&B.M.Broderick&P.J.Dowling，
Earthquake-resistant composite steel/concrete
Structure[J]，The Structural Engineer，2001
[3] 李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应
用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003
[4] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人
民邮电出版社，2005