考虑滑移效应的钢—混凝土组合梁桥力学行为研究

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钢一混凝土组合梁是通过抗剪连接件将钢梁与混凝土翼板组合而共同工作的一种组合构件,它兼有钢结构和混凝土结构的优点。尽管钢—混凝土组合梁在国内外都有比较广泛的研究,然而在设计理论及实际应用中仍然存在着许多技术难题。本文以组合梁的界面滑移效应为研究对象,提出了考虑界面滑移效应的新方法,并深入研究了滑移效应对结构力学行为的影响。完成的主要工作和取得的成果如下:(1)借鉴桩基计算的m法,把栓钉在混凝土中的力学行为,类比为桩基在土体中的力学行为,并以此建立了栓钉在混凝土中的变形微分方程,利用幂级数法求解了该微分方程的解析解,理论推导了一种计算栓钉抗滑移刚度的计算公式。在此基础上,提出了一种新的栓钉荷载—滑移本构关系。(2)根据Goodman弹性夹层假设及弹性体变形理论,建立了考虑栓钉滑移效应的经典变分方程,遵循最小势能原理,导出简支和悬臂组合梁的挠度和滑移控制微分方程,利用边界条件得到了在均布荷载和集中荷载作用下,简支和悬臂组合梁考虑界面滑移效应的挠度计算的解析表达式。(3)根据组合梁的构造和受力特点,提出了一种适合于组合梁计算分析的新型板梁单元。该方法通过化整为零,将组合梁离散成混凝土、钢梁和连接件三种子单元,分别推导了三种子单元的刚度矩阵;然后通过单元自由度与组合单元自由度的转化矩阵,集零为整,将子单元组拼成组合单元。并利用ANSYS软件的UPFs平台二次开发技术,实现了用户单元,为组合梁的有限元分析开辟了一条高效、便捷之路,可用于工程实践。(4)以一座三跨预应力钢—混凝土组合梁桥为背景设计了一组1:2的节段模型静力试验和1:8的节段模型徐变试验。试验结果表明:①、普通剪力钉模型和槽钢剪力件模型的破坏形式一致,但槽钢剪力件模型的竖向破坏荷载略大。②、单纯水平加载工况下本文理论计算滑移曲线与实测滑移曲线在数值上存在一定误差,但总体趋势和规律吻合较好。③、收缩徐变模型试验结果表明,按本文方法计算得到的长期挠度随时间的变化曲线与实测长期挠度曲线趋势一致,误差较小;且采用本文方法对收缩徐变效应进行计算,应力和挠度的计算结果与实测结果均吻合较好。验证了本文方法的正确性。(5)结合广州鹤洞大桥和九江大桥修复工程,采用本文提出的板梁有限元法和剪力连接件粘结滑移本构关系,对钢—混凝土组合梁在常规荷载作用下的力学行为和极限承载能力进行深入研究,得到了界面滑移刚度对结构受力性能的影响。
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