开口截面钢-混凝土组合梁纯扭力学性能

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.10.015

摘要/Abstract

摘要：

为揭示开口截面钢-混凝土组合梁抗扭工作机理，提出适用于工程实际的抗扭承载力计算方法，建立了工字钢-混凝土组合梁精细有限元分析模型，探究了纯扭作用下混凝土板截面尺寸、混凝土强度、钢梁截面尺寸、钢梁强度、配筋率、宽跨比等参数对组合梁抗扭力学性能的影响.基于组合作用和叠加原理，提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗扭贡献的开口截面钢-混凝土组合梁抗扭承载力计算公式.结果表明：组合梁抗扭承载力主要由混凝土板承担，混凝土板抗扭承载力组合作用系数为1.1，与实验结果吻合较好，能较好预测组合梁抗扭承载力.

关键词: 钢-混凝土组合梁, 有限元分析, 抗扭承载力, 最大剪应力, 组合效应

Abstract:

To reveal the torsional working mechanism of open cross?section steel?concrete composite beams， a calculation method for torsional bearing capacity applicable to engineering practice is proposed. A fine finite element analysis model of I?beam?concrete composite beams is established， and the influence of parameters such as concrete slab section size， concrete strength， steel beam section size， steel beam strength， reinforcement ratio， and width to span ratio on the torsional mechanical performance of composite beams under pure torsion is explored. Based on the principle of combination and superposition， a formula for calculating the torsional bearing capacity of open cross-section steel?concrete composite beams considering the contribution of concrete slab and steel beam web and flange to torsional resistance is proposed. The results show that the torsional bearing capacity of the composite beam is mainly borne by the concrete slab， and the torsional combination coefficient of the concrete slab is 1.1， which is in good agreement with the experimental results and can predict the torsional bearing capacity of the composite beam well.

Key words: steel-concrete composite beams, finite element analysis, torsional bearing capacity, maximum shear stress, combination effect

中图分类号:

TU 375.1

丁发兴, 束舒东, 张经科, 何畅. 开口截面钢-混凝土组合梁纯扭力学性能[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(10): 1485-1493.

Fa-xing DING, Shu-dong SHU, Jing-ke ZHANG, Chang HE. Mechanical Performance of Open Cross-Section Steel-Concrete Composite Beams Under Pure Torsion[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(10): 1485-1493.

图/表 17

图1 组合梁抗扭计算简图及有限元模型（a）—计算简图；（b）—截面示意图；（c）—整体有限元模型；（d）—混凝土板有限元模型；（e）—钢梁有限元模型.

Fig.1 Calculation diagram and finite element model of torsional resistance of composite beams

图2 实验与有限元扭矩-扭率曲线对比（a）—钢-混凝土组合梁CBT-1，CBT-2；（b）—钢-混凝土组合梁CBT-3，CBT-4；（c）—钢筋混凝土板RCST-1，RCST-2；（d）—钢筋混凝土板RCST-3，RCST-4.

Fig.2 Comparison diagram of T-θ′ curves between experiment and finite element analysis

表1 抗扭承载力有限元分析结果与实验结果比较

Table 1 Comparison of finite element analysis and experiment results of torsional bearing capacity

试件编号	w_c×h_c×w_s×h_s/mm	L/mm	s/mm	σ_s/MPa	σ_y/MPa	σ_cu/MPa	T_e/（kN·m）	T_a/（kN·m）	T_e/T_a
CBT-1	700×110×100×200	3 800	100	299.6	302.2	41.0	18.34	19.27	0.95
CBT-2	700×110×100×200	3 800	80	299.6	302.2	35.5	18.20	17.88	1.02
CBT-3	700×110×100×200	1 800	180	299.6	328.1	26.0	17.78	16.50	1.08
CBT-4	700×110×100×200	1 800	130	299.6	328.1	32.0	18.52	19.78	0.94
RCST-1	700×110×100×200	3 800	100	—	343.0	39.5	12.94	13.80	0.94
RCST-2	700×110×100×200	3 800	80	—	343.0	37.6	11.24	12.78	0.88
RCST-3	700×110×100×200	1 800	180	—	343.0	40.0	10.51	9.88	1.06
RCST-4	700×110×100×200	1 800	130	—	343.0	36.6	9.07	9.24	0.98

表2 部分足尺算例参数

Table 2 Partial full scale calculation parameters

L/mm	w_c/mm	h_c/mm	w_s/mm	h_s/mm	d_s/mm	栓钉布置
4 000	800	120	100	200	16	单排
8 000	1 500	140	250	350	19	双排
12 000	2 200	150	400	500	19	双排

图3 主要影响因素的参数分析曲线（a）—混凝土强度；（b）—混凝土板宽度；（c）—混凝土板厚度；（d）—配箍率；（e）—宽跨比.

Fig.3 Parametric analysis curves for main influencing factors

图4 组合钢梁和纯钢梁受扭形式对比（a）—组合钢梁；（b）—纯钢梁.

Fig.4 Comparison of torsional forms of composite steel beams and steel beams

图5 组合钢梁与纯钢梁截面应力分布随荷载的变化规律对比（a）—腹板正应力分布；（b）—腹板剪应力分布；（c）—上翼缘正应力分布；（d）—上翼缘剪应力分布；（e）—下翼缘正应力分布；（f）—下翼缘剪应力分布.

Fig.5 Comparison of change law of stress distribution with load in cross?section of composite steel beam and steel beam

图6 组合梁混凝土板与纯混凝土板 τ - γ 对比、 T - θ′对比（a）—混凝土板上表面最大剪应力 τ -γ曲线对比；（b）— T - θ'曲线对比.

Fig.6 Comparison of τ - γ and T - θ′ between composite beam concrete slab and concrete slab

图7 各参数下 Tb/ Tc变化规律

Fig.7 Variation law of Tb/ Tc under different parameters conditions

图8 混凝土板剪应力分布情况（a）—混凝土板截面 τ -γ曲线分布；（b）—截面剪应力分布示意图.

Fig.8 Shear stress distribution of concrete slabs

图9 混凝土板和钢梁承担扭矩比例

Fig.9 Ratio of torque borne by concrete slabs and steel beams

图10 τc/τc'~ρt曲线参数分析结果（a）—混凝土强度；（b）—钢筋屈服强度；（c）—混凝土截面尺寸.

Fig.10 Parameter analysis results of τc/τc'~ρt curves

图11 τc/τc'~ρt回归曲线

Fig.11 Regression curve of τc/τc'~ρt

图12 τc'~σcu回归曲线

Fig.12 Regression curve of τc'~σcu

图13 不同参数回归曲线分析（a）—τs~ρt关系回归曲线；（b）—τs /τs，4~It关系回归曲线；（c）—Tu/T0.2~wc/L关系回归曲线.

Fig.13 Regression curve analyses with different parameters

表3 工字钢-混凝土组合梁抗扭承载力计算公式

Table 3 Calculation formula for torsional bearing capacity of I?beam?concrete composite beams

序号	公式		参考文献
1	T_u=T_c+T_s=3.089w_c× $x 5 σ c 3$ +αh_c1w_c1A_svlσ_sy/s α=0.66m+w_cl/h_cl,m=0.5A_svls/[A_s1（h_c1+w_cl）]	（8）	[15]
2	T_u=αW_tpσ_t+βσ_syA_svlA_cor/s α=1.10-0.25ρ, β=0.83+5.66ρ-5.36ρ²	（9）	[17]

表3 工字钢-混凝土组合梁抗扭承载力计算公式

Table 3 Calculation formula for torsional bearing capacity of I?beam?concrete composite beams

序号	公式		参考文献
1	T_u=T_c+T_s=3.089w_c× $x 5 σ c 3$ +αh_c1w_c1A_svlσ_sy/s α=0.66m+w_cl/h_cl,m=0.5A_svls/[A_s1（h_c1+w_cl）]	（8）	[15]
2	T_u=αW_tpσ_t+βσ_syA_svlA_cor/s α=1.10-0.25ρ, β=0.83+5.66ρ-5.36ρ²	（9）	[17]

图14 有限元值与公式值比较结果（a）—本文建议公式；（b）—文献［16］；（c）—文献［18］.

Fig.14 Comparison results of finite element values and formula values

参考文献 22

1	聂建国，余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用［J］.土木工程学报，1999，32（2）：3-8.
	Nie Jian‑guo， Yu Zhi‑wu.Research and practice of composite steel‑concrete beams in China［J］.China Civil Engineering Journal，1999，32（2）：3-8.
2	Wang Y C.Deflection of steel‑concrete composite beams with partial shear interaction［J］.Journal of Structural Engineering，1998，124（10）：1159-1165.
3	Ding F X， Liu J， Liu X M，et al.Flexural stiffness of steel‑concrete composite beams under positive moment［J］.Steel and Composite Structures，2016，20（6）：1369-1389.
4	Ding F X， Ding H， He C，et al.Method for flexural stiffness of steel‑concrete composite beams based on stiffness combination coefficients［J］.Computers and Concrete，2022，29（3）：127-144.
5	Ding F X， Liu J， Liu X M，et al.Flexural capacity of steel‑concrete composite beams under hogging moment［J］.Advances in Civil Engineering，2019，2019：1-13.
6	丁发兴，王恩，吕飞，等.考虑组合作用的钢-混凝土组合梁抗剪承载力［J］.工程力学，2021，38（7）：86-98.
	Ding Fa‑xing， Wang En， Fei Lyu，et al.Composite action of steel‑concrete composite beams under lateral shear force［J］.Engineering Mechanics，2021，38（7）：86-98.
7	Ollgaard J G， Slutter R G， Fisher J W.Shear strength of stud connectors in lightweight and normal‑weight concrete［J］.AISC Engineering Journal，1971，8（2）：55-64.
8	Ding F X， Ying X Y， Zhou L C，et al.Unified calculation method and its application in determining the uniaxial mechanical properties of concrete［J］.Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China，2011，5（3）：381-393.
9	Uddin M A， Sheikh A H， Brown D，et al.Geometrically nonlinear inelastic analysis of steel‑concrete composite beams with partial interaction using a higher‑order beam theory［J］.International Journal of Non-linear Mechanics，2018，100：34-47.
10	Jaafer A A， Kareem S L.Behavior of curved steel‑concrete composite beams under monotonic load［J］.International Journal of Mathematical Engineering and Management Sciences，2020，5（6）：1210-1233.
11	Liang X， Duan S J， Wang Y Y，et al.Experimental and theoretical study on the behavior of the laminated action of steel‑concrete composite beam in negative bending moment region［J］.Advanced Steel Construction，2020，16（3）：216-222.
12	门朋飞.钢-混凝土组合梁负弯矩区受剪性能及其抗剪承载力计算方法研究［D］.重庆：重庆大学，2021.
	Peng‑fei Men.Study on shear performance and shear capacity calculation method of steel‑concrete composite girders in negative moment regions［D］.Chongqing：Chongqing University，2021.
13	Singh R K， Mallick S K.Experiments on steel‑concrete composite beams subjected to torsion and combined flexure and torion［J］.India Concrete Journal，1977，51（1）：24-30.
14	Ghosh B， Malick S K.Strength of steel‑concrete composite beams under combined flexure and torsion［J］.India Concrete Journal，1979，53（2）：48-53.
15	Hsu T C.Softened truss model theory for shear and torsion［J］.ACI Structural Journal，1988，85（6）：624-635.
16	聂建国.钢-混凝土组合梁结构试验、理论与应用［M］.北京：科学出版社，2005.
	Nie Jian‑guo.Steel‑concrete composite beams structure：experiment，theory and application［M］.Beijing：Science Press，2005.
17	聂建国，朱红超，罗玲，等.开口截面钢-混凝土组合梁受扭的试验分析［J］.建筑结构学报，2002，23（2）：48-54.
	Nie Jian‑guo， Zhu Hong‑chao， Luo Ling，et al.Experimental analysis on composite steel‑concrete beams with open section under combined flexure and torsion［J］.Journal of Building Structures，2002，23（2）：48-54.
18	Ding F X， Cao Z Y， Lyu F，et al.Practical design equations of the axial compressive capacity of circular CFST stub columns based on finite element model analysis incorporating constitutive models for high‑strength materials［J］.Case Studies in Construction Materials，2022，16：e01115.
19	聂建国，唐亮，朱林森.钢筋混凝土板式构件抗扭机理分析［J］.清华大学学报（自然科学版），2006，46（6）：760-764.
	Nie Jian‑guo， Tang Liang， Zhu Lin‑sen.Analysis of reinforced concrete slabs subjected to pure torsion［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2006，46（6）：760-764.
20	钢结构设计标准：［S］.北京：中国建筑工业出版社，2017.
	Standard for classification of steel structures：［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2017.
21	孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2009.
	Sun Xun‑fang， Fang Xiao‑shu， Guan Lai‑tai.Material mechanics［M］.Beijing：Higher Education Press，2009.
22	中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范：［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.
	Ministry of Agriculture and Rural Affairs of teh Peoples’s Republic of China. Code for design of concrete structures：［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2015.

[1]	黄贤振, 于瑞, 姜智元, 荣治明. 考虑热误差的电主轴建模与可靠性全局灵敏度分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(5): 675-682.
[2]	张东祥，张弛，范威，郭立新. 人工锥体的尺寸对颈椎力学特性的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(8): 1136-1143.
[3]	安国青，王蕊，赵晖，李铁英. 双钢板混凝土组合板在撞击荷载下的动力响应[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(8): 1192-1200.
[4]	王连广，蒙玉琪，王梓晴. 预制压型钢板混凝土组合板和钢梁连接及其有限元分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(4): 575-581.
[5]	陈小辉，张珩，刘明月，侯东晓. 开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(3): 397-403.
[6]	张耀满，李万鹏，杨铭宇. 球头铣刀加工钛合金零件的铣削力特性[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(6): 852-857.
[7]	李军超，谢锋，赵泽，龚鹏程. 金属板材渐进成形的数值模拟及破裂预测[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(4): 488-494.
[8]	冯乃诗，王宏，胡佛，李康. 软体机器手纤维增强式三腔体结构设计与分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(10): 1461-1466.
[9]	宋波，王连广，王春刚. 帽形加劲复杂卷边槽钢柱的稳定性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(1): 143-147.
[10]	潘宏刚，袁惠群，赵天宇，王光定. 基于汽轮机模拟叶轮的模态测试实验[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(9): 1298-1303.
[11]	陈岩，芦旭，江鹏，关振群. 影响螺纹副轴向力分布均匀性的关键因素分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(8): 1142-1147.
[12]	卢晓红，王福瑞，路彦君，高路丝. Inconel 718微铣削加工表面残余应力有限元仿真[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(2): 254-259.
[13]	付彦铭，于天彪，王新，王宛山. 犁式滑雪转弯膝关节软骨有限元分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(10): 1431-1435.
[14]	闫玉涛，钱晓林，张毅博，孙志礼. 滑动接触效应对裂纹尖端J积分值影响分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(12): 1744-1749.
[15]	杨光，张康生，胡正寰. 螺杆压缩机阴转子定轴横轧成形可行性研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(12): 1785-1789.