钢—混凝土组合梁界面特性分析与加劲钢板—混凝土组合板荷载分布宽度试验研究

论文摘要

近20年来，钢-混凝土组合结构在我国发展很快，并展示了广阔的应用前景。但在设计理论体系上，和钢筋混凝土结构相比，组合结构领域仍存在大量尚未解决的问题。本文基于理论分析、试验研究以及数值模拟相结合的研究方法，以国内正在修建的广东佛山东平大桥为工程背景，对钢-混凝土组合梁的界面特性和钢-混凝土组合板的荷载分布宽度两个问题进行了研究，并取得了以下研究成果： 1．以均布荷载作用下的简支组合梁为对象，研究了由栓钉等柔性连接件发生塑性变形而引起的纵向剪力重分布。根据连接件的实际受力状态，将界面受力全过程划分为3个工作阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，建立了各阶段内界面纵向剪力重分布的简化计算模型，并推导了界面纵向剪力和轴向力的计算公式。这有助于深入研究组合梁的力学性能。 2．根据组合梁截面曲率的计算原理，利用本文建立的界面纵向剪力重分布简化计算模型，推导了组合梁截面曲率的理论计算公式。然后以截面曲率和由钢梁或混凝土翼板截面承担的轴向力为基础，建立了组合梁在各个工作阶段内界面相对滑移、滑移应变以及挠度变形的计算方法。在整个推导过程中，不仅考虑了滑移效应的影响，同时还考虑了界面纵向水平剪力重分布现象的影响，具有一定的理论意义。 3．针对一种新型的组合板——加劲钢板-混凝土组合板，精心设计了两决不同结构体系的板，一块为简支体系的单向组合板，一块为悬臂体系的组合板，并开展了足尺模型试验研究，包括静载试验、疲劳试验和破坏试验；分析了弯曲效应控制时计算荷载分布宽度的不同等效标准之间的差别，分析了组合板上、下翼缘荷载分布宽度的差别，动态研究了简支组合板和悬臂组合板在整个受力过程中荷载分布宽度的变化规律。 4．通过对影响加劲钢板-混凝土组合板荷载分布宽度的各种因素进行的分析，确定了3个主要影响因素：组合板厚度、宽跨刚度比以及材料非线性。然后用非线性有限元法，对3个主要影响因素进行了数值分析，并通过数值计算结果，分析了3个因素的影响程度，建立了简支组合板和悬臂组合板在弹性阶段考虑板厚和宽跨刚度比影响的荷载分布宽度修正计算公式，提出了简支组合板和悬臂组合板在承载能力极限状态下荷载分布宽度的提高系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 钢-混凝土组合梁在国外的研究概况
• 1.3 钢-混凝土组合梁在我国的研究概况
• 1.4 钢-混凝土组合梁研究问题的提出
• 1.5 钢-混凝土组合板在国内外的研究概况
• 1.6 加劲钢板-混凝土组合板研究问题的提出
• 1.7 本文研究思路及主要工作
• 1.7.1 钢-混凝土组合梁
• 1.7.2 加劲钢板-混凝土组合板
• 第2章 组合梁界面纵向剪力重分布计算理论
• 2.1 栓钉连接件的荷载-滑移曲线
• 2.2 界面工作机理
• 2.3 剪力重分布的全过程分析
• 2.3.1 简化计算模型
• 2.3.2 计算原理与方法
• 2.3.3 界面纵向剪力
• 2.3.4 钢梁或混凝土翼板承担的轴向力
• 2.4 界面纵向剪力重分布的有限元法
• 2.4.1 分析原理与假定
• 2.4.2 栓钉连接件的单元模型
• 2.4.3 栓钉连接件单元材料的本构关系
• 2.4.4 组合梁有限元分析模型
• 2.5 算例分析
• 2.5.1 界面纵向水平剪力的分布
• 2.5.2 截面轴向力的分布
• 2.6 小结
• 第3章 纵向剪力重分布对组合梁力学性能的影响
• 3.1 折减刚度法
• 3.2 截面曲率
• 3.2.1 曲率计算原理
• 3.2.2 曲率分布计算
• 3.2.3 结果分析
• 3.2.4 算例
• 3.3 滑移特性
• 3.3.1 滑移微分方程的建立
• 3.3.2 滑移计算公式
• 3.3.3 算例分析
• 3.4 变形性能
• 3.4.1 挠度计算的积分法
• 3.4.2 挠度计算公式
• 3.4.3 算例分析
• 3.5 小结
• 第4章 荷载分布宽度的弹性理论
• 4.1 荷载分布宽度的定义
• 4.2 荷载分布宽度的实用算法
• 4.2.1 我国公路桥梁规范公式
• 4.2.2 其他经验公式
• 4.2.3 实用算法比较
• 4.3 弹性薄板理论
• 4.3.1 挠曲微分方程
• 4.3.2 简支板荷载分布宽度的解析解
• 4.3.3 悬臂板荷载分布宽度的解析解
• 4.4 小结
• 第5章 加劲钢板-混凝土组合板的试验研究
• 5.1 组合板试验模型设计
• 5.1.1 设计思想
• 5.1.2 模型尺寸设计与制作
• 5.1.3 材料力学性能试验
• 5.1.4 试验方法与测点布置
• 5.1.5 加载过程及工况
• 5.2 简支板试验结果与分析
• 5.2.1 特征点荷载的确定
• 5.2.2 弹性阶段试验结果
• 5.2.3 弹性阶段荷载分布宽度分析
• 5.2.4 疲劳阶段荷载分布宽度分析
• 5.2.5 塑性阶段试验结果
• 5.2.6 简支板试验小结
• 5.3 悬臂板试验结果与分析
• 5.3.1 特征点荷载的确定
• 5.3.2 弹性阶段荷载分布宽度分析
• 5.3.3 疲劳阶段荷载分布宽度分析
• 5.3.4 塑性阶段荷载分布宽度分析
• 5.3.5 悬臂板试验小结
• 5.4 小结
• 第6章 荷载分布宽度数值分析
• 6.1 影响组合板荷载分布宽度的因素
• 6.2 组合板非线性有限元分析
• 6.2.1 单元类型
• 6.2.2 本构关系
• 6.2.3 模型验证
• 6.3 板厚对荷载分布宽度的影响
• 6.3.1 简支组合板
• 6.3.2 悬臂组合板
• 6.4 宽跨刚度比对荷载分布宽度的影响
• 6.4.1 简支组合板
• 6.4.2 悬臂组合板
• 6.5 材料非线性对荷载分布宽度的影响
• 6.5.1 简支组合板
• 6.5.2 悬臂组合板
• 6.6 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参加的科研项目