组合截面梁相对于传统截面梁的力学优势分析

赵茂桐（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽 合肥 230000）

梁是建筑结构中常用的承载构件之一，传统的截面梁主要采用混凝土或钢材作为唯一的材料。但随着工程设计要求的不断提高和新材料的应用，组合截面梁作为一种新型结构，由两种或多种材料组成，逐渐受到了广泛的关注。本文旨在对组合截面梁和传统截面梁进行比较研究，探讨在结构设计、材料选择、受力性能和施工工艺等方面的差异和特点。组合截面梁的结构设计需要考虑不同材料之间的协同作用和相互影响，以确保梁的整体性和稳定性[1]。例如，在钢筋混凝土组合截面梁中需要考虑钢材和混凝土之间的粘结问题。组合截面梁将混凝土用于受压区域，钢材用于受拉区域，这样可以利用两种材料的优点，提高梁的承载能力和刚度[2]。组合截面梁还具有更好的抗震性能和耐久性，这得益于混凝土的优良耐久性和钢材的高强度和刚度[3]。

1 基本参数

模拟截面为150mm×230mm、梁跨为1500mm 的常规梁，底部和顶部分别放置16mm 和12mm 的HRB500级钢筋，箍筋直径为8mm，如图1所示。

图1 传统截面梁参数

模拟截面为140mm×220mm、跨度为1500mm 的组合型材梁，采用四角截面30mm×30mm×3mm 的Q235B级角钢，用8mm 钢筋连接，顶部和底部构件水平连接，侧面连接成如图2 所示的45°剪切破坏的桁架形状，嵌入C30混凝土中。

图2 组合截面梁参数

ABAQUS 在土木工程中的应用非常广泛，主要用于模拟和分析各种结构的力学性能和行为，如混凝土结构、钢结构等，界面简洁，对用户友好，可以为工程设计和施工提供强有力的分析和预测手段。ABAQUS 采用了强大的有限元分析技术，具有高精度的分析能力，可以准确地预测结构的强度、稳定性、疲劳寿命等,采用ABAQUS 软件可对常规梁截面和组合梁截面进行模拟[4]。所使用的部件由梁和角钢的实心挤压件组成，而钢筋则使用线性截面。混凝土、低碳钢和钢筋所用材料的性能如表1所示。

表1 材料特性参数

2 试验分析步骤

2.1 常规梁和组合梁强度差异

首先，对常规梁进行分析。在ABAQUS中，输入梁的几何参数和材料属性，包括梁的长度、宽度、高度、截面形状、材料弹性模量、泊松比等。然后，可以通过施加荷载来模拟梁的受力情况。ABAQUS 将计算梁的应变和应力分布，并根据材料的应力-应变曲线计算梁的强度和变形特性。

相比之下，组合梁的分析需要考虑不同材料之间的互补性。在ABAQUS 中，需要输入不同材料的物理属性和连接方式。例如，在混凝土-钢组合梁的分析中，需要输入混凝土和钢的材料属性，以及混凝土和钢之间的连接方式。然后，可以通过施加荷载来模拟组合梁的受力情况。

2.2 荷载挠度曲线

将ABAQUS 输出的挠度数据导入到Excel 或其他绘图工具中。然后，使用图表功能绘制荷载挠度曲线。荷载挠度曲线通常是一个非线性曲线，其中荷载是横轴，挠度是纵轴。

在绘制荷载挠度曲线时，首先，荷载挠度曲线应该基于试验数据或数值模拟结果；其次，梁的几何形状和材料属性应该与实际情况相符；最后，荷载挠度曲线应该包括足够的数据点，以便更好地了解梁的变形特性。总的来说，绘制荷载挠度曲线可以更好地了解梁的变形特性，并根据实际情况优化梁的设计。

2.3 荷载传递机理

当建筑结构遭受外部荷载时，荷载需要通过结构中的构件传递。在这个过程中，构件的变形会影响荷载的传递机制。讨论在忽略局部应变的情况下，荷载是如何通过倾斜构件和水平构件上的正常传递机制实现的[5]。

首先，要了解倾斜构件和水平构件的组成。倾斜构件是指在建筑结构中呈倾斜状态的构件，例如斜撑、斜杆等；水平构件是指在建筑结构中水平铺设的构件，例如横梁、栏杆等。

需要注意的是，当考虑局部应变时，载荷传递机制可能会发生变化。局部应变是指在构件的特定区域内产生的应变。例如，在倾斜构件的连接点和水平构件的支撑点处可能会产生局部应变。这些局部应变可能会导致内力传递被阻碍，从而影响荷载的传递。

2.4 截面比较与混凝土性能参数

两个截面的钢材截面积如表2 所示，与传统梁相比，传统梁的面积较小，但刚度也较低，而组合截面尽管面积较大，但刚度却高得多。

表2 梁的横截面积

C30 混凝土的配合比见表3，其力学性能如表4 所示。混凝土应力应变曲线如图3所示。

表3 混凝土配合比

表4 28d混凝土力学性能

图3 混凝土应力应变曲线

3 ABAQUS有限元分析

设置好相关的模型和参数，运行ABAQUS 进行分析得出应力应变数据。如图4 所示，在单点荷载作用下，集中荷载始终在梁跨中位置产生最大挠度。在相同荷载的作用下，单点荷载产生的挠度大于两点荷载产生的挠度。

图4 单点加载的传统梁

由图5 可以看出，在相同荷载作用下，传统梁的挠度比组合梁更大。

图5 单点加载的挠度曲线

图6显示了两点加载时组合截面在荷载为500kN时的挠度。中心显示出最大挠度，逐渐向支撑方向减小，中间三分之一部分显示两点加载情况下的纯弯曲区域。

图6 两点加载的组装截面梁

如图7所示，通过两点荷载对传统截面梁和组合截面梁挠度进行了比较，相同荷载作用下，传统截面梁的挠度大于组合截面梁。

图7 两点荷载的挠度曲线

均布荷载普遍存在于所有梁中，这是由于板荷载以均匀分布荷载的形式作用在梁上[6]。在这种情况下，如图8 所示，除了中间产生最大变形的区域以外，所有区域都具有清晰且相同的单元大小。

图8 均布荷载加载的常规梁

两个截面在相同的均布荷载作用下，传统梁的挠度比组合梁的挠度更大，如图9所示。

图9 均布荷载的挠度曲线

截面抗弯刚度通常表示为EI，其中，E 表示材料的弹性模量，I 表示截面的惯性矩，单位通常为m4。截面抗弯刚度EI 越大，表示材料对弯曲荷载的抵抗能力越强，即材料的抗弯强度越高。截面抗弯刚度EI 是结构设计中的重要参数，可以用于计算结构的变形和应力分布，从而为结构的设计和优化提供依据。截面抗弯刚度EI 是评价材料性能的重要指标之一，可以作为选择合适材料的参考指标。例如，在同样尺寸的截面中，材料的截面抗弯刚度EI 越大，表示该材料的强度和刚度都越高，更适合于对抗弯曲要求较高的结构中。表5给出了两个截面刚度和横截面面积之间的比值。

表5 两个截面刚度/横截面面积

4 两种梁对比分析

首先，组合截面梁的抗弯性能更好。组合截面梁由混凝土和钢材组合而成，可以最大限度地发挥两种材料的优势。混凝土具有较好的抗压性能，而钢材具有较好的抗拉性能。组合截面梁可以利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，使其抗弯性能更好，能够承受更大的弯曲荷载，工程实践中应该根据具体情况选择合适的梁结构。组合截面梁相对于传统截面梁来说具有一定的优势，但在某些情况下，传统截面梁也可能更为适用。例如，在一些对梁自重要求较高的场合，传统截面梁可能更为合适。

其次，组合截面梁的自重轻。组合截面梁的自重相对于传统截面梁来说更轻。这是由于组合截面梁的混凝土厚度可以减小，同时钢材的强度较高，可以采用较小的截面尺寸，从而减小了梁的自重。施工简便，组合截面梁的施工过程相对于传统截面梁来说更简便。传统截面梁需要进行混凝土浇筑，需要等待混凝土凝固后才能进行下一步工作，而组合截面梁的混凝土板和钢材梁可以在工厂预制，然后在施工现场进行简单的连接即可完成梁的安装。工程中应该充分利用组合截面梁的优势进行工程设计和施工。在设计和施工过程中，应该充分考虑组合截面梁的抗弯性能、自重轻等优势，从而使其在工程实践中发挥最大的作用。

维护成本方面，组合截面梁的维护成本相对于传统截面梁来说更低。由于组合截面梁的钢材部分处于混凝土的内部，可以有效地保护钢材，减少了钢材的腐蚀和损坏的可能性，从而减少了维护成本。应该注意组合截面梁的维护和保养，虽然组合截面梁的维护成本相对较低，但在实际使用过程中仍需要进行定期的检查和维护，以确保其安全和稳定性。

5 结语

组合截面梁相对于传统截面梁在力学方面的优势之一是抗弯承载力更大，这主要是由于组合截面梁采用了混凝土与钢材的组合，充分发挥了两种材料的优势。混凝土的主要优点是具有较高的抗压承载能力，能够有效抵抗弯曲荷载和冲击荷载；钢材的主要优点是具有较高的抗拉强度和刚度，能够有效增加结构的抗弯刚度和抗弯承载能力。在组合截面梁中，混凝土和钢材相互作用，钢材通过与混凝土的粘结和约束增加了结构的抗弯刚度和抗弯承载能力。同时，混凝土则通过吸收和分散荷载，保护钢材免受损伤，进一步提高了结构的承载能力和稳定性。因此，相对于传统截面梁，组合截面梁具有更大的抗弯承载能力，能够承受更大的弯曲荷载和冲击荷载，同时减小截面尺寸和重量，降低了结构成本。