预应力钢一混凝土连续组合梁的非线性有限元分析
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２０ ［１ ０ ９４）。至 今 ，预应 力 连续 ２
第三石改体姆顿左 勿疲末奖专超 菱
— — — —
《 拉 末 》 ０１ 第 期总 ８ 颓左 ２１ ３ 第 ６ 年 期 ＝
性 有 限元 分 析
陶慕轩 聂建 国
（ Ｉ清华大学土木工程系 北京 １０８ ２清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室 北京 １０８ ） ００４ ００４
组合梁的研究多局限于负弯矩区的局部研究 ，针
对全 梁 的系统 的试 验及 理论 研究 尚缺 乏 ，已有 的
计算模型多以自编程序为主，计算的精度和稳定 性尚未得到试验的充分验证 ，有的模型计算结果 和试验结果有较大的差别。本文以６ 根不同参数
的两跨 预应 力连续 组合 梁 的全梁 系列试 验结 果为 基础 ，以通 用有 限元 程 序ＭＳ ． Ｒ （ ０ ５２） ＣＭＡ Ｃ ２ ０ｒ
能 ，增加强度储备 ，提高梁的可靠度 ， 推迟混凝
土的开裂 ，延长结构使用寿命等 Ｊ 。 自Ｓｉ ｒｔ １５年最先提出了能够考虑混 ｚａｄ ｌ ９ ｌ Ｓ ９ 于
注： （ 应 力钢一 （ 预 混凝 土连 续组合 梁 的非 线性有 限元 分 析 ） 目获第三届欧维姆预应力技 术奖二等奖。本文原 载 ）项 （ 《 土木工程学报》２１ ０１ 年第２ 期
国 （ ０ ７ ｕ 等学者陆续对预应力简支组合梁 的 ２０ ） 钏
性 能展 开 系统 的试 验 和理论研 究 。而对 于预应 力
降 ，当跨度或荷载较大时 ，变形和裂缝宽度可能
无法满足正常使用极限状态的要求 ，此时预应力 技术能较好地解决上述问题 。 预应力组合梁是在普通组合梁的基础上应用 预应力技术发展起来的一种横向承重组合构件 ， 可以通过多种手段在组合梁内形成预应力 ，其 中 最常见的方式之一是在普通组合梁的钢梁 内布置 高强预应力钢丝束 ， 并对其进行张拉，从而使组 合梁在承受全部外荷载之前建立起预应力。预应
范围 ，提高结构的极限承载力 ，降低结构高度 ， 减轻 自重并减小地震作 用 ，改善疲劳和断裂性
为平台 ，提出了用于模拟预应力两跨连续组合梁 非线性全过程受力行为的精细有限元模型 ，模型 能充分考虑材料非线性和几何非线性 ，深人揭示 预应力筋内力变化、滑移效应 、内力重分布、应 力分布、曲率分布以及塑性铰形成等复杂特性， 并 和实测结果及理论分析结果进行充分对比 校核 ， 结 果表明该模型具有较高的精度和广泛的适用性。
第三届改谁谤顿左 勿疲术奖专超
ＰＲ Ｔ Ｓ Ｅ ＥＳ ＲＥ Ｓ Ｔ ＣＨＮ ＯＧＹ ＯＬ
《 预左 技 末》２１年 期总第 ６ ０１ 第３ ８期
Ｏ ５ｂ ． ｆ ，代入式 （ ） ７ ｛ ２ 可得初始屈服应变Ｅ，
．
关 ：ｇ＝ ，ｈＬ 。因此 ，由断裂能Ｇ 和单元特征 ｆＧ ／ ２ ｒ 尺寸ｈ可得 的取值 ， 由 的定义以及开裂应 再 力 和开裂前弹性模量 的取值即可算得软化模 量巨。 的取值 ， 从而唯一定义 了混凝土单轴受拉的 应力一 应变关系。混凝 土开裂模型 中的另一个重 要参数裂面剪力传递系数可按Ｒ ｔ ｏ 等人的建议选 ｓ 取［ ，也可根据Ｉ ３ Ｏ ｌ 型弯曲断裂的特点近似取为Ｑ 圳 。 埋入混凝土的钢筋单轴应力一 应变关系按受 压钢筋和受拉钢筋分别考虑 。对于受压钢筋 ，采
引言
钢一 混凝 土连 续 组合 梁 较 简支 组合 梁 具 有显
凝 土收缩 徐 变效应 的预 应力 组合梁 的分 析设计 方
法 后 ，Ｈ ａ ｌ １ ６ ６ ｌｉｅ １ ８ ， ｏ ｄｙ（ ９ ５）Ｌ，Ｋ ａｂ ｒ（ ９ ２） １
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摘 要 ： 以六根 两跨预应 力钢一 混凝 土连 续组合梁 的系列试 验结果 为基础 ，以通用有 限元程序 ＭＳ ． Ｒ ＣＭＡ Ｃ
（ ０ ５２ ２ ０ ｒ ）为平台 ，提 出了用 于模 拟预应力 连续 组合梁非线性 全过程受力行 为的精细有 限元模 型 ，并 给出
了单元选取 、材料建模 以及整 体组 装的详细过程 。有 限元分析基 于弹塑性本 构模型 ，能充分考虑材料 非线 性和几何非 线性 ，反映结构受 力全过程 中预应力 筋内力变化 、滑移效应 、内力重分布 、应力分布 、曲率分 布 以及 塑性 铰形成等复杂特性 ，深入揭示 了预应 力连续组合梁 的受力 机理和特点 。模型计算结果 和实测结 果 以及理论 分析结果 吻合 良好 ，表现 出良好 的数 值特性 。文 中模 型对 于预应力连续组合梁 的精 细化分析具 有较高 的精度 和广泛的适用性 ，为研究预应力连续组 合梁受力 性能提供 了强有力 的工具 。 关键词 ： 预应力钢一 混凝土连续组合 梁 有限元分析 非线性 全过程
著的经济性能优势 ，它能有效地提高承载力 、降 低结构 高度 、减小变形 Ｊ ，因此在建筑和桥梁
结构 中应 用 十分 广 泛 。对 于 普通 钢 一 凝 土 连续 混 组合 梁 ，由于 中支 座混 凝土 过早 开裂 导致 刚度下
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力所 产 生 的内力效 应 能减小 或抵 消结 构在 外荷 载 作用 下 产生 的效应 ，从 而增 大组 合梁 的弹性工 作
连续组合梁 的研究 ，从２ 世纪８ 年代末才开始 ０ ０ （ ｒ ｔ Ｙ ：１９【 Ｔｏ ｓ 等 ｉｋ ９０ ；Ｄ １ ｓ 等 ：１９ ， ａ ’Ａ ｔ １ ａ ９８
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的两跨 预应 力连续 组合 梁 的全梁 系列试 验结 果为 基础 ，以通 用有 限元 程 序ＭＳ ． Ｒ （ ０ ５２） ＣＭＡ Ｃ ２ ０ｒ
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注： （ 应 力钢一 （ 预 混凝 土连 续组合 梁 的非 线性有 限元 分 析 ） 目获第三届欧维姆预应力技 术奖二等奖。本文原 载 ）项 （ 《 土木工程学报》２１ ０１ 年第２ 期
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无法满足正常使用极限状态的要求 ，此时预应力 技术能较好地解决上述问题 。 预应力组合梁是在普通组合梁的基础上应用 预应力技术发展起来的一种横向承重组合构件 ， 可以通过多种手段在组合梁内形成预应力 ，其 中 最常见的方式之一是在普通组合梁的钢梁 内布置 高强预应力钢丝束 ， 并对其进行张拉，从而使组 合梁在承受全部外荷载之前建立起预应力。预应
范围 ，提高结构的极限承载力 ，降低结构高度 ， 减轻 自重并减小地震作 用 ，改善疲劳和断裂性
为平台 ，提出了用于模拟预应力两跨连续组合梁 非线性全过程受力行为的精细有限元模型 ，模型 能充分考虑材料非线性和几何非线性 ，深人揭示 预应力筋内力变化、滑移效应 、内力重分布、应 力分布、曲率分布以及塑性铰形成等复杂特性， 并 和实测结果及理论分析结果进行充分对比 校核 ， 结 果表明该模型具有较高的精度和广泛的适用性。
第三届改谁谤顿左 勿疲术奖专超
ＰＲ Ｔ Ｓ Ｅ ＥＳ ＲＥ Ｓ Ｔ ＣＨＮ ＯＧＹ ＯＬ
《 预左 技 末》２１年 期总第 ６ ０１ 第３ ８期
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．
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钢一 混凝 土连 续 组合 梁 较 简支 组合 梁 具 有显
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了单元选取 、材料建模 以及整 体组 装的详细过程 。有 限元分析基 于弹塑性本 构模型 ，能充分考虑材料 非线 性和几何非 线性 ，反映结构受 力全过程 中预应力 筋内力变化 、滑移效应 、内力重分布 、应力分布 、曲率分 布 以及 塑性 铰形成等复杂特性 ，深入揭示 了预应 力连续组合梁 的受力 机理和特点 。模型计算结果 和实测结 果 以及理论 分析结果 吻合 良好 ，表现 出良好 的数 值特性 。文 中模 型对 于预应力连续组合梁 的精 细化分析具 有较高 的精度 和广泛的适用性 ，为研究预应力连续组 合梁受力 性能提供 了强有力 的工具 。 关键词 ： 预应力钢一 混凝土连续组合 梁 有限元分析 非线性 全过程
著的经济性能优势 ，它能有效地提高承载力 、降 低结构 高度 、减小变形 Ｊ ，因此在建筑和桥梁
结构 中应 用 十分 广 泛 。对 于 普通 钢 一 凝 土 连续 混 组合 梁 ，由于 中支 座混 凝土 过早 开裂 导致 刚度下
Ａ ｂｅｈ １９ ｌｒｃｔ（ ９ ５）ｕ ，宗 周红 （ ００） ，聂 建 引 ２０
力所 产 生 的内力效 应 能减小 或抵 消结 构在 外荷 载 作用 下 产生 的效应 ，从 而增 大组 合梁 的弹性工 作
连续组合梁 的研究 ，从２ 世纪８ 年代末才开始 ０ ０ （ ｒ ｔ Ｙ ：１９【 Ｔｏ ｓ 等 ｉｋ ９０ ；Ｄ １ ｓ 等 ：１９ ， ａ ’Ａ ｔ １ ａ ９８