CN116432380B - 一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法 - Google Patents

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Abstract

一种双钢板‑混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，包括以下步骤：（1）测量双钢板‑混凝土组合梁的材料参数；（2）计算失效荷载和；（3）建立失效机制图；（4）确定组合梁的失效模式；本发明提供双钢板‑混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，考虑了组合梁混凝土芯材的拉压不对称性，方法概念清晰，计算简便，同种材料的双钢板‑混凝土组合梁所求解的失效机制图可适用于不同的几何尺寸的组合梁。

Description

一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法。
背景技术
钢板-混凝土组合结构兼具钢材和混凝土的受力特点，已成为工程中普遍应用的结构。钢板-混凝土组合结构的失效模式是工程设计中至关重要的问题，将直接关乎整个结构的安全性。
双钢板-混凝土组合梁提供界面相互作用的剪力连接件形式多种多样，随着新型可靠的剪力连接件的提出，剪力连接件强度不同导致的组合梁失效模式差异不再是工程关注的重点。研究表明，弯曲破坏和剪切破坏是双钢板-混凝土组合梁的主要初始失效模式。双钢板-混凝土组合梁的初始失效模式与钢面板和混凝土的材料属性、几何尺寸、外荷载形式和边界条件等因素相关，但通过参数化模型对双钢板-混凝土组合梁的初始失效模式的预测仍在进一步研究中。
初始失效机制图（FMM）可以准确预测静态荷载下或低速冲击荷载下金属核心组合梁的初始失效模式与失效荷载。许多学者在静态三点或四点弯曲试验中观察到钢板-芯材组合结构具有多种初始失效模式，还发现初始失效模式受多种因素影响，如面板和芯材的材料属性、芯材构型，结构的几何尺寸和载荷方式等。通过研究这些影响因素，可以采用FMM法准确的判断金属核心组合梁的初始失效模式。然而，FMM法所适用的对象仅限于具有拉压对称性质的金属芯材，对于混凝土这种拉压不对称材料，无法使用FMM法判断其在静态荷载下或低速冲击荷载下的初始失效模式与失效荷载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，可预测双钢板-混凝土组合梁在静态荷载或低速冲击荷载下的失效模式。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，包括以下步骤：
（1）测量双钢板-混凝土组合梁的材料参数；
所述步骤（1）中，所述双钢板-混凝土组合梁的基本参数包括：钢板屈服强度，/>混凝土抗压强度，/>混凝土抗拉强度，/>混凝土抗剪强度， H梁跨外伸长长度，L支点到芯材中线距离，h单个钢板厚度，c芯材高度，/>加载位置的挠度，b芯材宽度，x受压区高度，/>冲头宽度；
参数无量纲化后：，/>，，/>，/>，/>，/>；
（2）计算失效荷载和/>；
所述的失效荷载定义为：双钢板-混凝土组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>包含如下步骤：
通过截面平衡条件求解受压区高度x，截面平衡条件为：
，得出/>；
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：
，其中，/>，/>，/>，，无量纲化后得出/>；
所述的失效荷载定义为：混凝土芯材仅在外部支撑处发生剪切屈服时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>中包含如下步骤：
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：
，其中，/>，/>，无量纲化后得出；
（3）建立失效机制图；
所述建立失效机制图的原理：对于给定的几何和材料参数，失效模式取决于相互竞争失效模式临界载荷的最小值；所述步骤“（3）建立失效机制图”中包含如下步骤：
令（n为自然数且n≥2）种失效荷载两两相等可得出包含材料参数的/>组/>关于/>的一元方程，将/>组一元方程绘制于同一坐标系下且只保留每个自变量/>所对应的的最小值；
（4）确定组合梁的失效模式；
所述步骤“（4）确定组合梁失效模式”包括如下步骤：
根据待判断的双钢板-混凝土组合梁的无量纲参数和/>，确定组合梁/>和/>的计算值在失效机制图所处的区域，确定组合梁的失效模式。
为了对剪切破坏失效模式进行细化，所述步骤“（2）计算失效荷载和/>”中计算的失效荷载还包括/>；
所述的失效荷载定义为：整个混凝土芯材在内部发生剪切屈服时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>包含如下步骤：
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：
，其中，/>，/>，无量纲化后得出。
引入后，所述步骤“（3）建立失效机制图”中将3条曲线绘制于同一坐标系下，并保留其重叠部分的最小值；再根据所述步骤“（4）确定组合梁的失效模式”得出结论。
所述的双钢板-混凝土组合梁的混凝土芯材对于普通混凝土、高性能混凝土或超高性能混凝土普遍适用。
本发明取得的有益效果：考虑了组合梁混凝土芯材的拉压不对称性，可预测双钢板-混凝土组合梁在静态荷载或低速冲击荷载下的失效模式。本发明提供的方法概念清晰，计算简便（所涉及求解的函数是一元函数），同种材料的双钢板-混凝土组合梁所求解的失效机制图可适用于不同的几何尺寸的组合梁。
附图说明
图1是三点弯曲下双钢板-混凝土组合梁三种破坏模式示意图；
图2是实施例一失效机制图；
图3是实施例二失效机制图；
图4是实施例三失效机制图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示，三点弯曲下双钢板-混凝土组合梁的破坏模式主要为弯曲破坏和剪切破坏：弯曲破坏是当双钢板-混凝土组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时发生的破坏（弯曲破坏），此时的破坏荷载为；而剪切破坏又分为混凝土芯材在外部支撑处发生剪切屈服时的破坏（剪切破坏A）和整个混凝土芯材在内部发生剪切屈服时的破坏（剪切破坏B），破坏荷载分别为/>和/>。图1（a）是双钢板-混凝土组合梁结构尺寸示意图；图1（b）中所示的弯曲破坏，塑性铰出现在加载位置的截面上并开始发展；图1（c）中所示的剪切破坏A，塑性铰出现在跨中和外部支撑处的上下边缘，支撑处之间的混凝土芯材发生剪切屈服，支撑处之外的部分未发生剪切屈服；图1（d）中所示的剪切破坏C，跨中位置的上下钢板发展出两个塑性铰，整个混凝土芯材发生剪切屈服。
某实验室开展的双钢板-混凝土组合梁试验中有一参考AP1000核安全壳设计的4/9试件，双钢板-混凝土组合梁跨距2L=2030mm，宽度b=304mm，混凝土芯材高度c=386mm，单个钢板厚度h=9.8mm，梁跨外伸部分的距离H=185mm。通过实验测得材料参数：钢板屈服强度=375MPa，混凝土抗压强度/>=105MPa，混凝土抗拉强度/>=11.2MPa，混凝土抗剪强度取=11.2MPa。无量纲参数/>=0.380296，/>=0.025389，/>=0.029867，/>=0.106667，不考虑冲头宽度对该模型的影响，因此取a=0。
根据公式求得/>；
根据公式求得/>；
根据公式求得/>。
令，解得/>（a）；
令，解得/>（b）；
令，解得/>（c）。
如图2（a）所示，作为自变量，/>作为因变量，式（a）、（b）和（c）绘制于同一坐标系下；
如图2（b）所示，根据最小荷载原则绘制出适用于该试件的失效机制图；
仅判断试件的破坏模式是弯曲破坏还是剪切破坏时，不区分剪切破坏A和剪切破坏B，简化后的失效机制图如图2（c）所示。
该试件和/>的计算值分别为0.380296和0.025389，在失效机制图中标注点（0.380296，0.025389），如图2（d）所示，预测该试件的失效模式是弯曲破坏。
经试验证明，预测结果与实际试验结果一致，说明该方法适用于超高混凝土芯材的组合梁。
实施例二：
某实验室开展的双钢板-混凝土组合梁试验中有三个试件，分别为SC1，SC2和SC3，三个试件的单个钢板厚度均为h=5mm，混凝土芯材高度c=300mm；通过实验测得材料参数：钢板屈服强度=235.2MPa，混凝土抗压强度/>=134.8MPa，混凝土抗拉强度/>=8.2MPa，混凝土抗剪强度取/>=/>=8.2MPa；无量纲参数/>=0.034863946，/>=0.060830861。
试件SC1梁半跨距L=367.2mm，宽度b=150mm，梁跨外伸部分的距离H=232.8mm。无量纲参数=0.816993，/>=0.1。无量纲参数：/>=0.136166。
试件SC2梁半跨距L=397.8mm，宽度b=150mm，梁跨外伸部分的距离H=202.2mm。无量纲参数=0.754148，/>=0.1。无量纲参数：/>=0.125691。
试件SC3梁半跨距L=336.6mm，宽度b=150mm，梁跨外伸部分的距离H=263.4mm。无量纲参数=0.891266，/>=0.1。无量纲参数：/>=0.148544。
三个试件中的无量纲参数相差较小，为简化计算可取其平均值/>=0.136800。
根据失效荷载公式求得：；
；
令求解得/>；
绘制的失效机制图如图3所示，预测三个试件发生的失效模式均为弯曲破坏。
实际试验结果与预测结果一致，且临近分界线的构件SC3表现了出向剪切破坏演化的趋势，说明该方法适用于超高混凝土芯材的组合梁。
实施例三：
某实验室开展的双钢板-混凝土组合梁试验，所采用的试件的单个钢板厚度均为h=3mm，混凝土芯材高度c=300mm，梁半跨距L=367.2mm，宽度b=150mm，梁跨外伸部分的距离H=232.8mm；通过实验测得材料参数：钢板屈服强度=235.2MPa，C50混凝土抗压强度/>=45.4MPa，混凝土抗拉强度/>=3MPa，混凝土抗剪强度取/>=/>=3MPa；无量纲参数/>=0.012755102，/>=0.066079295。试件忽略冲头宽度会影响准确性，因此本实施例考虑冲头宽度影响，/> =0.136166。
无量纲化后的失效荷载，/>为：
；
；
令求得：/>。
绘制的失效机制图如图4所示，预测试件发生的失效模式为剪切破坏，且所处位置接近弯曲破坏区域，应同时表现出一部分弯曲破坏特征，即临近分界线的构件表现出两种失效模式的过渡特征。
该预测结果与试验中观察到的失效模式一致，试验试件中也出现了兼具剪切破坏和弯曲破坏的特征，说明该预测方法也可用于普通混凝土芯材的双钢板-混凝土组合梁。

Claims (3)

1.一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测量双钢板-混凝土组合梁的材料参数；
所述步骤（1）中，所述双钢板-混凝土组合梁的基本参数包括：钢板屈服强度， />混凝土抗压强度，/> 混凝土抗拉强度，/> 混凝土抗剪强度， H梁跨外伸长长度，L支点到芯材中线距离，h单个钢板厚度，c芯材高度，/>加载位置的挠度，b芯材宽度，x受压区高度，/>冲头宽度；
参数无量纲化后：，/>，/>，/>，/>，/>；
（2）计算失效荷载和/>；
所述的失效荷载定义为：双钢板-混凝土组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>包含如下步骤：
通过截面平衡条件求解受压区高度x，截面平衡条件为：
，得出/>；
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：/>，/>，/>，，/>，无量纲化后得出/>；
所述的失效荷载定义为：混凝土芯材仅在外部支撑处发生剪切屈服时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>中包含如下步骤：
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：
，其中，/>，/>，无量纲化后得出；
（3）建立失效机制图；
所述建立失效机制图的原理：对于给定的几何和材料参数，失效模式取决于相互竞争失效模式临界载荷的最小值；所述失效机制图的定义：
令（n为自然数且n≥2）种失效荷载两两相等可得出包含材料参数的/>组/>关于/>的一元方程，将/>组一元方程绘制于同一坐标系下且只保留每个自变量/>所对应的/>的最小值，所绘制的图为失效机制图；
（4）确定组合梁的失效模式；
所述步骤“（4）确定组合梁失效模式”包括如下步骤：
根据待判断的双钢板-混凝土组合梁的无量纲参数和/>，确定组合梁/>和/>的计算值在失效机制图所处的区域，确定组合梁的失效模式。
2.根据权利要求1中的一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，其特征在于，所述步骤“（2）计算失效荷载和/>”中计算的失效荷载还包括/>；
所述的失效荷载定义为：整个混凝土芯材在内部发生剪切屈服时的破坏荷载；所述计算失效荷载/>包含如下步骤：
根据功能关系确定组合梁弯矩达到塑性极限弯矩时的失效荷载，并进行无量纲化得出/>；所述失效荷载/>的计算公式为：
，其中，/>，/>，无量纲化后得出。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的一种双钢板-混凝土组合梁三点弯曲失效模式判定方法，其特征在于，所述双钢板-混凝土组合梁中的芯材是普通混凝土、高性能混凝土或超高性能混凝土。
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