利用ABAQUS软件作为分析工具，构建了钢–混凝土组合梁的三维细致有限元模型，该模型还包括组合梁的计算简图以及详细的模型结构，如 图1 所展示。实体单元采用三维八节点减缩实体单元(C3D8R)，这种单元主要在混凝土、工字型钢和栓钉等材料中使用。钢筋采用三维二节点桁架单元(T3D2)。此模型使用结构化网格的方法来完成网格的划分。钢筋通过内置的方式嵌入混凝土板中，确保钢筋节点的移动自由度与混凝土板完全匹配，并实现自动化的自由度耦合，从而确保钢筋与混凝土板单元能够协同工作。考虑到其他的钢结构与混凝土界面都有化学粘结和摩擦力的存在，模拟时使用切向罚函数(摩擦系数取0.3)和法向“硬”接触。在进行加载的过程中，梁的三分之一位置上表面会出现一个竖直下的位移，位移的幅度为20 mm，按照平滑时间–位移曲线进行加载。

当混凝土在单一方向上受到压力时，其本构关系可以参见相应的数学公式。混凝土在上升阶段的形状是二次抛物线，而在下降阶段则呈现出斜直线(参见 图2 )。混凝土的抗压强度标准为f_c，达到26.8 MPa。弹性模量E_c为3.25 × 10⁴MPa，泊松比为0.2。混凝土峰值应变ε₀= 0.0002，极限应变ε_cu= 0.00038。

图1. 试件尺寸及有限元模型(单位：mm)

$\sigma =\{\begin{array}{l}{f}_c\left[2\frac{\epsilon }{{\epsilon }_0}-{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_0}\right)}^2\right]\epsilon \le {\epsilon }_0\hfill \\ f_c\left(1-0.15\frac{\epsilon -{\epsilon }_0}{{\epsilon }_{cu}-{\epsilon }_0}\right){\epsilon }_0<\epsilon \le {\epsilon }_{cu}\hfill \end{array}$(1)

式中：σ、ε分别为应力、应变。

通过使用多线性等向强化模型，钢梁、钢筋和栓钉得以强化。 图3 展示了这一模型：其中，钢材的弹性模量E_s为2.06 × 105 MPa，f_y代表屈服强度，ε_y代表屈服应变，ε_h是强化应变。ε_h= 12ε_y对于钢材来说，其强化模量 ${E^{\prime }}_s$是弹性模量的0.01倍，具体的数学表示方式如式(2)所示。

$\sigma =\{\begin{array}{l}{E}_s\epsilon \hfill \\ f_y\hfill \\ f_y+{E^{\prime }}_s\left(\epsilon -{\epsilon }_h\right)\hfill \end{array}\begin{array}{l}0<\epsilon <{\epsilon }_y\hfill \\ {\epsilon }_y\le \epsilon <{\epsilon }_h\hfill \\ \epsilon \ge {\epsilon }_h\hfill \end{array}$(2)

栓钉的荷载–滑移(P-s)曲线( 图4 展示)是基于Ollgaard等 [16] 所提出的公式构建的。这些公式如式(3)所示不仅形式简明，而且适用于各种方向的混凝土，特别是对于常规混凝土和轻型混凝土。公式中的s_x、s_y、s_z代表x、y、z方向的滑移相对位置，而A_sd代表栓钉的横截面面积，L_s则表示栓钉的长度，P_x、P_y、P_z代表x、y、z方向的荷载。N^v_c代表单个栓钉的抗剪承载能力，γ代表栓钉抗拉强度的最低值与屈服强度的比值，f则是栓钉抗拉强度的设计参数。

$\{\begin{array}{l}{P}_x=N_c^v{\left(1-e^{-0.71s}x\right)}^{0.4}\hfill \\ P_y=\frac{E_s{A}_{sd}}{L_s}{s}_y\hfill \\ P_Z=N_c^v{\left(1-e^{0.71s}z\right)}^{0.4}\hfill \end{array}$(3)

$N_c^v=0.43A_{sd}\sqrt{E_C{f}_C}\le 0.7A_{sd}\gamma f$(4)

文献 [9] 针对腹板上设置矩形洞口的组合梁进行了实验性的研究，最终得出了相应的极限承载能力和破坏特性。研究涉及的关键试验参数主要囊括了混凝土板的厚度以及其配筋比例。为确保有限元模型的精确性，我们对所有开孔试验样品(A2~A4, B1, B2)进行了详细的有限元分析，并将这些分析成果与实际试验数据进行了深入的比较，具体详情见 表1 。从比较数据中，我们发现利用有限元分析得到的最大承载力与实验的结果相当接近，并且误差均控制在5%之内；通过对比刚度和变形能力，结果与实验数据显示的误差非常小，完全满足了工程的精确度标准。这一系列结果证实，有限元分析所得出的数据是可靠的。