1  引言

    外包钢混凝土组合梁是近年来兴起的一种新型组合结构体系，它是采用薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U形截面，然后在U形截面内部填充混凝土作为T形梁的肋部，翼缘为现浇混凝土板。外包钢结构与内部混凝土通过钢与混凝土之间的粘结力和开口隔板等连接件来共同受力，协调变形。在外包钢组合梁内部配置温度补偿钢筋达到结构安全防火的目的。这种结构的优点^{[ 1 ~3 ]}是外包钢板可以代替钢筋，起到受拉的作用，克服了钢筋混凝土结构的抗拉强度低的弱点；内部填充混凝土有效地阻止了薄壁钢材的屈曲，提高了钢材的屈曲承载力；同时钢材的存在有效地改善了结构的延性，使得结构的整体稳定性大大优于钢结构和型钢混凝土组合结构；U型钢部件可作为组合梁的永久性模板，使得施工速度大大加快,木材的消耗量小，工厂化程度高。由于外包钢组合梁以上优越的工作性能，对它的研究已经受到国内外工程界的普遍关注和重视，一些专家学者对这种新型组合梁的工作性能进行了初步的试验研究，但对其受力全过程的理论分析比较少。

    有限单元法作为结构分析的一种通用方法，可以分析不同设计参数组合梁的力学性能，提供大量的分析数据，为设计提供依据。本文采用非线性有限元理论，借助大型有限元分析软件ANSYS分析模拟外包钢组合梁的工作性能。

2  有限元模型的建立

2.1 单元类型选取

    ⑴ 混凝土单元

    本文中混凝土单元采用ANSYS中专门的钢筋混凝土非线性单元Solid65，Solid65单元是在三维4节点等参元Solid45的基础上，增加了针对混凝土的材性参数（三维强度准则）和由离散钢筋单元组成的整体式钢筋模型。它可以是六面体单元、五面体单元和四面体单元，可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数，从而考虑3个方向的加强钢筋。该单元能够考虑材料非线性和几何非线性效应，具有断裂（沿三个正交方向）、压碎、塑性变形和蠕变功能，因而能很好地反应混凝土结构的实际受力状态。

    ⑵ 外包钢板单元

    外包钢板采用Shell43单元，它适合模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构，单元中每个节点具有六个自由度：沿x、y和z 方向的平动自由度以及绕x、y和z 轴的转动自由度。单元具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的特性。

    ⑶ 粘结滑移单元

    本文采用在外包钢板与混凝土界面的对应节点上设置一组正交的长度为零非线性弹簧单元combin39来模拟钢板与混凝土的粘结滑移问题，弹簧的一端连接外包钢板单元节点，另一端连接混凝土单元节点。Combin39是一种包含两个节点的一维的具有非线性性能的单向受力单元，通过修改单元参数可以把它转化为纵向拉压弹簧（两个节点分别具有X、Y、Z三个方向的自由度）。两个节点需要通过一个荷载～位移（F—D）曲线来定义弹簧的受力性质，无需定义材料属性。ANSYS将根据给出的荷载～位移曲线自动根据当前的滑移量所对应的曲线进行求导，进而得到弹簧的刚度系数，这种处理方法可以很好地模拟滑移发展后粘结刚度的退化。

    在混凝土与钢板交界面的重合节点上设置三个相互正交的弹簧单元，分别模拟交界面上两个切向和一个法向的粘结关系，切向和法向弹簧刚度显然不同，应分别考虑。对于法向弹簧，鉴于在发生粘结破坏时法向变形相对于切向要小得多，根据文献[4]可以将法向弹簧刚度K_v取一个很大的值（本文取10⁵）。对于切向弹簧，由上述分析知，每根弹簧刚度为荷载～滑移关系的一阶导数，

    而   

    其中为界面粘结应力与滑移本构关系式，A_i为每根弹簧在交界面上代表的受力面积，不同位置的弹簧A_i显然不同。根据弹簧对应节点位置可分为中间弹簧、边界弹簧和角部弹簧，如图1所示。

    参照文献[5]的计算方法：

    中间弹簧：

    边界弹簧：

    角部弹簧：

    据此可得到不同位置弹簧单元的F—D关系曲线。