组合梁桥及体外预应力组合梁桥基本性能研究

摘要

组合梁桥是利刚剪力连接件将钢梁和钢筋混凝土桥面板连接起来共同受力的一种桥型，它是一种富有创新空间的结构形式。体外预应力组合梁桥便是组合梁桥与体外预应力先进技术相结合一种结构形式，具有较组合梁桥更加优良的结构性能。然而，由于理论不够完善、规范不够成熟、知识不普及、施工方法较繁琐等原因，组合结构及预应力组合结构桥梁在实际工程中的应刚并不广泛。因此迫切需要对其受力性能进行研究。 本文对组合梁及体外预应力组合梁桥的抗弯性能进行了较为系统的理论分析、试验研究及工程应用研究，主要研究工作和成果如下： (1)综述了国内外关于组合梁桥和预应力组合梁桥的理论和试验研究现状，指出若干研究热点和存在的问题，提出了需要深入研究的问题。 (2)对钢与混凝土之间连接形式进行了综述和总结，介绍了几种新型剪力连接件的特点，重点研究了栓钉连接件的受力性能，提出借鉴桩基处水平承载能力计算方法来研究栓钉剪力连接什受力性能的新思路，对栓钉受力性能进行了初步的理论探讨。 (3)在对国内外关丁钢一混凝士组合梁受弯计算综述的基础上提出了普通钢-混凝土组合梁抗弯计算的新方法-组合系数法，该法有别于传统的换算截面法和折减刚度法，可以方便的考虑剪力连接程度对组合梁挠度、应力应变分布以及特征荷载的影响，且具有形式简单、物理意义明确的特点，与试验和其它公式的计算结果比较表明组合系数法计算结果具有足够的工程精度和理论上的正确性。 (4)提出了体外预应力钢．混凝土组合梁中体外预应力筋应力的计算方法，包括预应力损失及应力增量的计算方法。对于预应力损失重点研究了与一般预应力混凝土结构不同的锚同损失和摩擦损失的计算方法，提山了相应的计算公式，通过试验，测得了试验梁预应力筋与转向块的摩擦系数，可为工程应用提供借鉴。对于应力增量的计算，提山了基于挠度的新方法，并与国内外的试验进行对比，表明该方法具有足够的计算精度。 (5)基于组合系数法和预应力筋应力的计算方法，建立了体外预应力钢一混凝土组合梁的计算方法，该方法适用于程序计算。用丁手算时，可不进行迭代，计算精度能够满足工程需要。 (6)对体外预应力组合连续梁的次弯矩、内力重分布进行了研究，提出了体外预应力组合连续梁的计算方法，可供实际工程参考。 (7)进行了4根受止弯矩作用和2根受负弯矩作川的体外预应力钢．混凝土组合箱形截面简支梁静载全过程试验研究。对体外预应力组合箱梁的荷载．挠度曲线、裂缝开展情况、钢与混凝十交接面的粘结滑移性能、体外预应力筋的应力增量等特性进行了较系统的试验研究，为体外预应力组合箱梁桥的应川提供了一定的试验依据。 (8)对试验梁进行了非线性有限元分析研究。根据栓钉连接件和体外力筋的模拟方法不同，建立了2种计算模型，并将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析，指出了不同计算模型的优缺点和适用范围。利用空间有限元模型对影响组合梁和体外预应力组合梁性能的基本参数进行了分析，主要研究了剪力连接件的数量、剪力连接件的高度、组合梁混凝土截面和钢梁截面高度比等参数性能的影响，指出了合理的栓钉布置数量和栓钉的长细比要求，提出了组合梁的两种破坏形态“类似适筋梁的延性破坏”和“类似超筋梁的脆性破坏”，并提出了避免“超筋脆性破坏”的混凝土翼板厚度建议。 (9)对一座三跨连续钢-混凝土组合梁桥进行了施工全过程的数值模拟，与现场实测结果比较，验证了组合梁桥的优越性能，并对该桥的性能做出了评价。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1组合结构桥梁概述

1.1.1组合结构的力学性能

1.1.2组合结构桥梁的发展

1.2体外预应力钢-混凝土组合梁桥的应用及发展

1.2.1体外预应力组合结构的特点

1.2.2体外预应力组合梁桥的发展与应用

1.3国内外研究现状

1.3.1试验研究

1.3.2理论分析研究

1.3.3设计思想与规范

1.4本文研究的主要内容

1.4.1当前有待深入研究的问题

1.4.2课题来源

1.4.3本文研究的主要内容和目标

参考文献

第二章栓钉连接件的理论分析与试验研究

2.1钢与混凝土连接形式

2.1.1连接形式的分类及其特点

2.1.2剪力连接件的形式

2.1.3剪力连接程度——组合作用中一个重要概念

2.2栓钉连接件静力工作性能的试验研究与理论探索

2.2.1推出试验简介

2.2.2抗剪连接的破坏形态

2.2.3栓钉连接件受力性能理论分析

2.2.4栓钉连接件的设计承载力

2.2.5栓钉连接件的粘结滑移性能

2.3疲劳荷载下栓钉连接件的工作性能

2.4栓钉连接件的构造要求

2.5本章小结

参考文献

第三章组合梁抗弯计算的组合系数法

3.1概述

3.2钢-混凝土组合梁抗弯刚度计算

3.2.1换算截面法

3.2.2 R P Johnson计算方法及美国钢结构规范(LRFD)公式

3.2.3 Yam L C P(劳埃·扬)计算方法

3.2.4聂建国教授计算方法及钢结构设计规范(GB50017-2003)方法

3.3本文提出的钢-混凝土组合梁刚度计算的组合系数法

3.3.1无剪力连接组合梁截面分析

3.3.2完全剪力连接的组合梁截面分析

3.3.3部分剪力连接的组合梁截面分析

3.3.4部分剪力连接组合梁的组合系数法

3.4挠度、应力、滑移应变及特征荷载的计算

3.4.1挠度计算

3.4.2弹性状态截面应力的计算

3.4.3交界面滑移的计算

3.4.4特征荷载的计算

3.5算例及计算方法的比较

3.6组合梁受弯承载能力的计算方法

3.6.1组合梁截面分类

3.6.2部分剪力连接组合梁受弯承载能力计算公式

3.7收缩、徐变和温度效应分析

3.7.1收缩徐变效应

3.7.2温度效应分析

3.8本章小结

参考文献

第四章体外预应力简支组合梁的试验研究

4.1研究意义

4.2试验设计

4.2.1试件设计及加工

4.2.2加载装置及加载制度

4.2.3试验测试内容

4.2.4测点布置

4.2.5数据采集系统

4.3试验步骤

4.4试验结果

4.4.1特征荷载

4.4.2试验过程描述、裂缝分布、破坏特征

4.4.3荷载-挠度关系

4.4.4力筋的应力增量

4.4.5界面粘结滑移

4.4.6截面应变分布

4.5本章小结

参考文献

第五章体外预应力组合简支梁的理论分析

5.1概述

5.2体外预应力钢-混凝土组合梁预应力损失的计算

5.2.1摩擦损失

5.2.2锚固损失

5.3体外预应力力筋应力增量的计算方法

5.3.1既有研究工作综述

5.3.2基于挠度的预应力筋应变增量计算

5.4体外预应力组合梁正常使用极限状态计算的组合系数法

5.4.1问题的提出

5.4.2挠度计算

5.4.3应力计算

5.5体外预应力组合梁受弯承载能力的计算方法

5.5.1基本假定

5.5.2预应力简支组合梁的弹性阶段挠度分析

5.5.3预应力极限应力的计算

5.5.4结构受弯承载能力的计算

5.6本章小结

参考文献

第六章体外预应力组合梁负弯矩区试验研究与理论分析

6.1组合连续梁负弯矩区的受力机理及处理措施

6.2体外预应力钢-混凝土组合梁负弯矩区试验研究

6.2.1研究现状

6.2.2试验模型和加载装置

6.2.3试验步骤与加载制度

6.2.4试验结果

6.2.5试验主要结论

6.3体外预应力组合梁负弯矩作用下受弯承载力计算

6.3.1弹性计算方法

6.3.2塑性计算方法

6.3.3算例

6.4本章小结

参考文献

第七章组合梁及体外预应力组合梁的数值模拟与参数分析

7.1问题的提出

7.2模型对比研究

7.2.1材料的本构关系

7.2.2模型建立

7.2.3计算结果与讨论

7.3组合梁及体外预应力组合梁性能影响参数分析

7.3.1剪力钉数量（剪力连结程度）对结构性能的影响

7.3.2剪力钉长度对结构性能的影响

7.3.3混凝土翼板厚度对结构性能的影响

7.4本章小结

参考文献

第八章工程应用

8.1工程概况

8.2有限元模型

8.3计算结果分析

8.4本章小结

第九章研究结论与展望

9.1本文主要研究内容和结论

9.1.1理论分析

9.1.2试验研究

9.1.3数值模拟及参数分析

9.1.4工程实测

9.2本文的主要创新之处

9.3尚待深入研究的问题

作者在攻读博士学位期间发表的论文

作者在攻读博士学位期间从事的科研项目

作者在攻读博士学位期间从事的工程项目

致 谢