带波形钢腹板悬臂挑梁的组合脊骨梁力学性能分析与试验研究

摘要

本文对带波形钢腹板悬臂挑梁的钢—混凝土组合脊骨梁新结构进行了一系列试验研究和理论分析，主要包括组合脊骨梁在正载作用下的剪力滞效应、在偏载作用下的扭转特性、预应力大悬臂波形钢腹板组合挑梁受力性能以及组合脊骨梁极限承载力的研究。同时提出组合脊骨梁的实用设计方法，基本上解决了该种新结构在实际工程应用中的计算和分析问题。主要研究成果如下：(1)通过集中正载、均布正载作用下，简支和连续体系组合脊骨梁在弹性阶段的受力性能试验研究，证实了大悬臂组合脊骨梁受弯时存在明显的剪力滞现象，其最大正、负弯矩截面的剪力滞系数可达到1.2～1.35左右，悬臂混凝土翼板在初等梁理论计算中应折减成等效计算宽度，截面腹板应变沿高度的分布基本上符合平截面假定。同时建立了忽略波形钢腹板悬臂挑梁影响的组合脊骨梁剪力滞效应换算弹性模量法分析模型，提出多弹性模量、多剪切转角差函数，并考虑横向预应力影响的组合脊骨梁剪力滞效应计算方法，给出组合脊骨梁中混凝土板的有效分布宽度计算公式，理论计算结果与试验结果、空间有限元分析结果吻合较好。在此基础上进行了大量的参数分析，进一步探讨组合脊骨梁剪力滞效应的影响因素和变化规律，并定量分析了横向预应力对剪力滞效应的影响程度。 (2)带波形钢腹板挑梁的组合脊骨梁为小箱梁、大悬臂结构，截面在偏载作用下的扭转效应十分明显。本文采用乌氏第二定理，通过换算截面法，并在计算整个组合截面的广义主扇性惯矩I时加入大悬臂翼板的广义主扇性惯矩Ik，建立了考虑大悬臂混凝土翼板影响的组合脊骨梁截面刚性扭转翘曲应力和附加剪应力的计算方法。通过单点集中扭矩、两点集中扭矩以及均布扭矩作用下的组合脊骨梁扭转特性试验，验证了采用考虑大悬臂翼板影响的乌氏第二定理来分析组合脊骨梁的扭转效应较为合理，其结果偏于安全，精度可以满足工程要求。试验和计算结果分析发现，组合脊骨梁的约束扭转翘曲应力和腹板附加剪应力占对应弯曲应力的比例较大，扭转附加剪应力甚至超过了弯曲剪应力，故在实际工程设计中应予以特别重视。 (3)对大悬臂波形钢腹板挑梁并排支撑的组合桥面板进行了荷载横向分布和极限承载力的理论分析、空间有限元分析及试验研究，并与平面钢腹板组合挑梁对应的力学性能相比较。采用修正刚接梁法来分析悬臂组合桥面板的荷载横向分布问题，并假设横向分布系数随荷载作用位置的变化沿挑梁纵向呈三次曲线分布，从而可以方便地计算任意位置荷载作用下受载梁的荷载横向分布系数，并作了相应的参数分析。采用有限元方法对两种组合挑梁的极限承载力进行非线性全过程分析，研究它们在不同工作阶段的荷载—位移关系、荷载—应变关系以及应变沿梁高度方向的分布规律，推导出忽略腹板作用的预应力波形钢腹板组合挑梁的开裂弯矩和弹性极限抗弯承载力计算公式。同时通过两种组合挑梁受力性能的试验研究来验证理论分析和有限元分析模型的正确性。 (4)进行了组合脊骨梁极限承载力的全过程加载试验，探讨组合脊骨梁正、负弯矩截面在材料屈服前、后的受力性能，观察其在单调荷载下的受力全过程、破坏形态、变形特征和极限状态等。另外，结合组合脊骨梁的特点，选用合适的单元模型和材料的本构关系，利用大型有限元通用软件建立带悬臂波形钢腹板挑梁的组合脊骨梁空间有限元分析模型，对连续组合脊骨梁结构的极限承载力进行非线性有限元全过程分析，确定其正、负弯矩截面的开裂弯矩、弹性极限抗弯承载力和塑性极限抗弯承载力等主要特征值，利用分析结果研究了组合脊骨梁结构在不同工作阶段的荷载—位移关系、荷载—应变关系以及应变沿混凝土板横向和梁高度方向的分布规律。最后，将有限元分析结果与试验结果作对比分析，二者吻合较好。 (5)根据前述理论分析和试验研究总结出的组合脊骨梁受力特点，并借鉴普通钢—混凝土组合梁相应的假设和算法，推导了较为合理的组合脊骨梁实用设计公式。包括弹性状态下不同施工方法、不同受力方式所对应的组合脊骨梁截面正应力和剪应力计算公式；正、负弯矩截面(有、无纵向预应力两种情况)的塑性极限抗弯承载力、抗剪承载力计算公式以及混凝土板的纵向抗剪计算公式等。同时，对组合脊骨梁主要构件的构造措施提出了建议，并对组合脊骨梁的施工工艺和施工步骤等进行了探讨。

目录

文摘

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第1章绪论

第2章大悬臂组合脊骨梁的静载试验研究

第3章大悬臂组合脊骨梁的剪力滞效应分析

3.1前言

3.2组合脊骨梁的受力特点

3.3组合脊骨梁剪力滞效应分析

3.4组合脊骨梁中混凝土板有效宽度计算

3.5剪力滞效应试验结果分析

3.6理论与试验结果对比及参数分析

3.7小结

第4章大悬臂组合脊骨梁的扭转特性分析

第5章大悬臂波形钢腹板组合挑梁的受力分析

第6章大悬臂组合脊骨梁的极限承载力研究

第7章大悬臂钢—混凝土组合脊骨梁设计方法研究

结论与展望

参考文献

致谢

附录A攻读博士学位期间发表的学术论文