新型外包钢—混凝土组合简支梁及组合框架试验研究

摘要

外包钢一混凝土组合梁是采用厚钢板做底板，C形或Z形冷弯薄壁钢板做侧板与底板焊接而形成U型截面钢梁，内部填充混凝土与楼板混凝土同时浇注，通过必要的连接措施保证型钢和混凝土共同工作的一种新型组合受弯构件。这种组合梁吸收了普通钢一混凝土组合梁和钢骨混凝土组合粱的优点并克服了它们的缺点，具有承载力高、刚度大、施工方便、工业化生产和综合经济指标优等特点，成为一种有良好应用前景的组合构件。本文对外包钢一混凝土组合梁进行了系统的研究，主要工作和成果包括以下两方面： 1．外包钢一混凝土组合简支梁受力性能研究 (1)通过14个外包钢一混凝土组合梁简支足尺试件的静力试验研究，分析了构件的破坏形态、荷载一挠度曲线、荷载一应变曲线和跨中沿截面高度方向的应变分布情况等，了解了外包钢一混凝土组合梁的受力性能，掌握了保证型钢和混凝土共同工作的基本措施。 (2)通过对外包钢一混凝土组合简支梁的理论分析，并借助有限元分析软件进行弹塑性分析，与试验结果验证，探讨了组合梁的破坏机理与受力特点。重点研究了外包钢一混凝土组合简支梁的两种特有破坏形式：纵向滑移破坏与纵向水平剪切破坏，并分析了U型钢梁上翼缘形式对组合梁受力的影响。最后指出组合梁受弯承载力计算需考虑型钢与混凝土之间的滑移效应，而正常使用状态下验算有时可忽略滑移效应的影响。 (3)在试验研究与理论分析的基础上，给出外包钢一混凝土组合简支梁的完整设计方法，包括施工阶段和使用阶段的设计。对于使用阶段，分别给出了外包钢一混凝土组合简支梁四种承载力极限状态下的承载力计算公式与正常使用状态下的刚度计算公式。 2．组合框架抗震性能研究 (1)通过两榀外包钢一混凝土组合梁框架的抗震试验，研究组合梁在整体结构中的受力性能。分析了构件的破坏形态、破坏机制、抗震延性、耗能能力、变形恢复能力和承载力等指标，认为组合框架在保证合理设计的前提下可以实现抗震要求中强节点弱构件、强柱弱梁等基本原则。 (2)采用有限元分析软件，对外包钢一混凝土组合梁框架进行单调荷载的弹塑性分析，得到了构件的开裂荷载与裂缝分布、钢构件的应力分布、结构的极限承载力等计算结果，并与试验结果进行验证。最后又对组合框架进行低周往复荷载下的全过程非线性滞回分析，获得结构的恢复力曲线，与试验结果符合较好，证明采用商业软件可以较好的模拟这种结构受力的全过程。 (3)设计了一种新型的组合节点。通过在钢筋混凝土柱内预埋H型钢，统-了外包钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱或钢骨混凝土柱刚性连接的节点设计方法。在H型钢内焊有加劲肋和受剪侧板，试验结果与有限元弹塑性分析结果可以验证加劲肋与受剪侧板可以和型钢腹板共同传递节点剪力。 本文研究成果为国家工程建设标准《外包钢-混凝土组合梁楼盖设计与施工规程》的制定提供了科学依据。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2钢—混凝土组合梁的发展与应用

1.2.1国外的发展与应用

1.2.2国内的发展与应用

1.3本文研究的内容和意义

1.3.1新型外包钢—混凝土组合梁概念

1.3.2新型外包钢—混凝土组合梁的受力机理

1.3.3新型外包钢—混凝土组合梁的优点

1.3.4外包钢—混凝土组合梁的研究现状

1.3.5课题背景

1.4组合梁及组合框架抗震性能研究

1.5本文的主要研究工作

第一章参考文献

第二章外包钢—混凝土组合简支梁试验研究

2.1概述

2.2试验方案设计

2.2.1试件设计

2.2.2加载方式与测点布置

2.3试验结果分析

2.3.1破坏现象

2.3.2破坏形态

2.3.3试件荷载—挠度曲线及说明

2.3.4试件跨中上表面混凝土荷载—应变曲线及说明

2.3.5试件跨中底部钢板荷载—应变曲线及说明

2.3.6试件沿截面高度应变分布及说明

2.4本章小结

第二章参考文献

第三章外包钢—混凝土组合简支梁受力分析

3.1概述

3.2外包钢—混凝土组合简支梁组合作用

3.3外包钢—混凝土组合简支梁抗滑移分析——第一薄弱面

3.3.1抗滑移分析

3.3.2型钢与混凝土接触面的滑移剪力

3.3.3型钢与混凝土的粘结作用

3.3.4抗剪连接件

3.4外包钢—混凝土组合简支梁纵向抗剪分析——第二薄弱面

3.4.1纵向剪切破坏简述

3.4.2纵向剪切破坏机理

3.4.3混凝土抗剪强度

3.4.4销栓抗剪强度

3.5外包钢—混凝土组合简支梁竖向抗剪分析

3.6外包钢—混凝土组合简支梁有限元分析

3.6.1有限元模型建立

3.6.2组合梁滑移有限元分析

3.7本章小结

第三章参考文献

第四章外包钢—混凝土组合简支梁设计方法

4.1概述

4.2外包钢—混凝土组合梁施工阶段验算

4.3外包钢—混凝土组合梁使用阶段正截面受弯承载力计算

4.3.1完全剪力连接外包钢—混凝土组合梁

4.3.2部分剪力连接外包钢—混凝土组合梁

4.4外包钢—混凝土组合梁使用阶段竖向受剪承载力计算

4.5外包钢—混凝土组合梁使用阶段纵向水平受剪承载力计算

4.5.1计算公式建立

4.5.2试验结果对比

4.6外包钢—混凝土组合梁使用阶段纵向滑移计算

4.7外包钢—混凝土组合梁刚度变形计算

4.7.1基本假定

4.7.2刚度计算公式

4.7.3试验结果对比

4.8外包钢—混凝土组合梁设计的构造问题

4.8.1截面尺寸的选取

4.8.2使用的材料

4.8.3防火措施

4.9本章小结

第四章参考文献

第五章组合梁框架抗震试验研究

5.1概述

5.2试验设计

5.2.1试件设计与加工

5.2.2加载方案

5.2.3试验方法

5.2.4试验测试内容

5.3试验结果与分析

5.3.1试验结果

5.3.2试验结果分析

5.4本章小结

第五章参考文献

第六章组合梁框架抗震弹塑性分析

6.1概述

6.2组合框架有限元分析模型

6.3单调荷载下的弹塑性分析

6.3.1裂缝分布与开裂荷载

6.3.2极限承载力

6.3.3极限荷载下钢构件应力分布

6.4低周往复荷载下的弹塑性分析

6.5本章小结

第六章参考文献

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2后续工作的展望

作者在攻读博士学位期间发表论文情况

致谢