文章使用ABAQUS有限元软件对预应力桁架式钢骨混凝土梁模型进行抗弯承载能力模拟分析，建模时通过改变桁架角钢的尺寸，竖腹杆间距以及预应力筋的数量等参数来分析抗弯承载力的影响因素，并采用合理的本构模型、单元模型、边界条件、荷载作用等，使计算分析更加精确。模拟结果表明角钢尺寸越大，添加预应力筋均能提高构件的承载力。

本文利用ABAQUS分析施加了预应力的钢骨桁架混凝土的抗弯承载力。一共设计7根试验构件，其中6根梁添加了预应力筋，1根是普通的钢骨桁架混凝土梁，未添加预应力筋。混凝土梁全长为3 600 mm，截面宽度为250 mm，高度为400 mm，混凝土的设计强度等级为C35，混凝土保护层厚度30 mm，预应力筋使用后张法，采用直径15.2 mm的钢绞线，桁架的钢材等级均为Q235。以角钢尺寸为45 mm×5 mm的构件为例，其构件的纵横剖面图如图1所示，角钢节点如图2所示。本文通过改变钢骨桁架混凝土梁中角钢的厚度和尺寸、竖腹杆间距、预应力筋根数等试件参数，建立模型并且施加位移荷载，借此研究其抗弯承载力。各个试件的设计参数见表1。

本文模拟试验要求建立预应力桁架式钢骨混凝土模型。而在ABAQUS有限元软件中，针对混凝土结构，通常会采用整体式或分离式或组合式三种有限元模型进行分析。本文的构件模型主要由钢骨桁架和混凝土组成，在进行有限元模拟计算时，需要考虑到二者之间的相互作用。本次模拟试验采用的是分离式模型，分离式模型在计算分析时会将构件的不同材料分成不同的单元。

因此，通过分离式模型，可以有效地分析梁内部的钢骨桁架与包裹在外的混凝土之间的相互作用情况。与整体式模型相比，分离式虽然计算分析耗时长，但其更能体现相互作用关系。与组合式模型相比，分离式计算精度更高。

在ABAQUS建模过程中，采用合理的单元模式会使计算分析更加精确。混凝土单元选用C3D8R，钢骨桁架选用S4R，预应力筋选用T3D2，防止加荷点与支座处混凝土局部压碎的刚性垫块则选用C3D8。

（1）混凝土本构模型。由于本文试验梁是使用混凝土包裹住钢骨桁架，钢骨桁架作为空腹式钢骨，其钢骨腹杆的作用类似于普通钢筋混凝土中箍筋的作用。因此根据其特点，使用ABAQUS里面三种针对混凝土的典型本构模型中的塑性损伤模型进行模拟分析^[9]。在进行模拟分析时，将混凝土分为两部分，一个部分有类似箍筋作用的桁架腹杆对内部混凝土进行约束作用，另一部分则是桁架腹杆外的无约束混凝土。对于约束区和无约束区的混凝土，本文采用Mander模型^[10]作为钢骨桁架混凝土的本构关系建模。Mander模型如图3所示。

（2）角钢和预应力筋本构模型。本文计算时构件所用钢材采用理想弹塑性模型。预应力筋的本构关系采用三折线模型，具体如图4所示。

建模时需要考虑各个试件之间的接触面相互作用，混凝土包裹在钢骨桁架与预应力筋之外，因此三者之间的粘结关系采用嵌入区域约束（embedded region）来模拟。同时，为防止加荷点与支座处的混凝土局部承压破坏，本文设置了刚性垫块放置于混凝土表面，二者之间采用绑定（tie）接触。

本文试验构件均为简支梁，建模时于支座处垫块表面中线上施加铰接约束以模拟构件支座情况。

构件采用位移加载，建立参考点并将参考点耦合（coupling）于加载点垫块上方，输入位移荷载作用于参考点上。图5为构件的边界条件和加载有限元模型示意图。

本文建模对钢骨桁架、混凝土等重要部位进行网格划分时，提高了种子密度。而对于垫块与端头预应力构造单位，网格划分相对粗略。图6为混凝土与钢骨桁架的网格划分示意图。

以A1梁与A7梁为例，ABAQUS模拟混凝土和钢骨桁架的Mises云图如图7所示。

从模拟所得出的构件Mises云图中可以看出，对于构件的混凝土，两个位移荷载加载点之间的混凝土所受的压应力是最大的，而加载点两边的部分区域压应力偏小。

对于钢骨桁架，其上弦杆受压，下弦杆受拉。上弦杆于加荷点之间的区域应力偏大。而下弦杆较于上弦杆，其应变幅度更大，且有大面积的区域应力偏大。桁架内部部分靠中间的斜腹杆所受压应力偏大，这是由于混凝土竖向裂缝向上发展，并穿过了斜腹杆^[11-12]。各构件荷载-位移曲线模拟值如图8所示。

根据荷载-位移曲线可以看出，钢骨混凝土梁大致分为以下三个工作阶段。

①弹性工作阶段，构件未开裂，荷载位移呈直线关系。②弹塑性工作阶段，此时构件混凝土出现细小裂缝，荷载位移从直线关系转变为曲线关系，直至构件的钢骨桁架开始屈服。③塑性工作阶段，此时钢骨桁架屈服，梁的刚度减小，构件丧失抗弯承载力。

对比A1，A2，A3构件的荷载-位移模拟值可知，上下弦角钢的尺寸越大，钢骨桁架梁的刚度与承载力越大。对比A2，A5构件可知，竖腹杆间距对结构承载力影响较小。对比A2，A6，A7构件可知，预应力筋可有效地提高构件的抗弯承载力。

（1）根据模拟结果，钢骨桁架混凝土梁的桁架角钢的边宽边厚越大，其承载力越大。竖向腹杆间距对其承载力影响较小。

（2）添加预应力筋能显著提高钢骨桁架混凝土梁的承载力以及延性。

（3）模拟试验未能考虑钢骨桁架与混凝土之间的滑移等实际情况，因此，作为补充，需要浇筑相应的桁架式钢骨混凝土梁，并且在此基础上与模拟所得的试验结果进行对比。