考虑滑移效应的高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁受力性能研究

摘要

高强U形外包钢-高强混凝土组合梁，是一种可以充分发挥钢材的受拉性能及混凝土受压性能的组合结构，通过在钢梁底板及翼缘焊接栓钉连接件，使型钢与混凝土能够较好的协同工作，内部浇灌的高强混凝土，可提高该组合结构的稳定性。相比传统的钢-混凝土组合梁，该组合结构受力较合理、承载力大、可在工厂预制施工、防火性能佳、经济效益显著等优点，是一种值得大力推广的组合结构。
　　为了能够充分发挥该组合结构的优点，以抵抗各种外部荷载的作用，必须确保钢板、钢筋以及混凝土这三种材料能够较好的协同工作。而该种组合结构构件中钢板和混凝土能够协调工作的基础即是要保证钢板和混凝土之间良好的粘结性能。该组合梁结构的试验性能、损坏形式、计算假定、构件的承载能力、裂缝的计算与分析及变形的发展理论和方法等，均受钢板和混凝土之间粘结滑移性能的影响。工程中主要以简支的形式存在，因此本文主要研究简支组合梁的滑移性能。
　　高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁存在2个滑移面，不论是部分剪力连接，或是完全剪力连接，钢板与混凝土交界面之间都存在相对粘结滑移问题，这会削弱组合梁的组合效应，增大组合梁的变形量、降低组合梁的承载能力。因此，在进行外包钢-混凝土组合梁设计时，需要考虑型钢、混凝土两者之间的粘结滑移效应。本文从理论分析、试验研究以及有限元模拟三个角度分析了高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁的粘结滑移性能。主要工作及成果如下:
　　(1)在前人研究的基础上，考虑高强混凝土强度的折减，利用解析方法，推导了两个滑移面上，高强U型钢外包钢-高强混凝土简支组合梁，钢板-混凝土交界面的滑移及滑移应变方程，建立起相对滑移与剪力连接系数之间的相互关系。
　　(2)按照简化塑性理论，即等效矩形应力方法，计算部分剪力连接简支组合梁的正截面极限抗弯承载力。基于得出的滑移应变方程，推导了在粘结滑移效应作用下，高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁的挠度计算公式。
　　(3)对3根不同剪力连接系数1/2缩尺简支梁进行了试验研究，获得了组合梁的荷载-挠度曲线、荷载-滑移曲线以及截面应变关系曲线等。通过对比分析高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁，交界面的相对滑移发展过程以及分布规律，并结合理论计算及试验结果，可知，理论计算和试验结果吻合较好。
　　(4)结合高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁的特点，本文的研究目的，在ANSYS有限元软件中选择合理的单元进行建模。通过试验数据的验证，所建有限元分析模型在应力、应变、变形和滑移等方面与试验结果吻合较好。利用所建有限元模型，对高强外包钢-高强混凝土简支组合梁进行数值模拟，得出了不同剪力连接系数组合梁的相对滑移规律和变形特征。
　　(5)基于理论分析、试验研究以及计算机模拟，文章最后提出了高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁的工程设计建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钢-混凝土组合梁滑移效应的研究进展

1．2．1 国内的研究进展

1．2．2 国外的研究进展

1．3 本文研究的主要内容和意义

第二章 高强U形外包钢-高强混凝土组合梁钢-混凝土交界面相对滑移理论

2．1 概述

2．2 基本概念

2．2．1 滑移及滑移应变

2．2．2 完全剪力连接和部分剪力连接

2．2．3 剪力连接件及其本构关系

2．3 高强U形外包钢-高强混凝土组合梁钢-混凝土交界面的相对滑移微分方程

2．3．1 基本假定

2．3．2 相对滑移微分方程

2．4 高强U性外包钢-高强混凝土组合梁钢-混凝土交界相对滑移求解

2．4．1 均布荷载作用下的钢-混凝土交界面相对滑移方程

2．4．2 两点对称集中荷载作用下钢-混凝土交界面相对滑移方程

2．5 本章小结

第三章 考虑滑移效应的高强U形外包钢-高强混凝土组合梁承载力与变形研究

3．1 概述

3．2 考虑滑移效应的高强U形外包钢-高强砼组合梁极限承载力研究

3．2．1 基本假定

3．2．2 组合梁正截面受弯极限承载力计算公式

3．3 考虑滑移效应的组合梁变形计算

3．3．1 组合梁交界面的相对滑移引起的附加变形

3．3．2 考虑滑移效应的组合梁变形计算的一般公式

3．4 本章小结

第四章 高强U形外包钢-高强混凝土简支组合梁滑移效应试验研究

4．1 试验简介

4．1．1 试件设计

4．1．2 材料性能试验

4．1．3 加载装置及测点布置

4．2 试验现象

4．3 试验结果分析

4．3．1 试件跨中荷载-挠度曲线

4．3．2 试件不同测点处荷载-滑移关系曲线

4．3．3 砼应变沿试件截面高度分布曲线

4．4 试件的理论计算结果与试验结果的对比分析

4．4．1 钢-混凝土交界面相对滑移试验值与理论计算值的比较

4．4．2 试件极限受弯承载力试验值与理论计算值的比较

4．4．3 试件变形试验值与理论公式计算值的比较

4．5 本章小结

第五章 高强U形外包钢-高强混凝土组合梁有限元分析

5．1 概述

5．2 有限元建模

5．2．1 单元的选取

5．2．2 材料的本构关系

5．2．3 高强U形外包钢-混凝土组合梁非线性有限元分析模型

5．3 有限元模型的试验验证

5．3．1 荷载-挠度曲线模拟值和试验值的比较

5．3．2 荷载-滑移曲线模拟值和试验值的比较

5．3．3 应力、应变云图

5．3．4 正截面受弯承载力的计算值和试验值的比较

5．4 钢-混凝土交界面相对滑移特征

5．4．1 算例组合梁1-1界面的滑移分布

5．4．2 算例组合梁2-2界面的滑移分布

5．4．3 算例组合梁沿梁高方向的相对滑移分布

5．4．4 算例组合梁钢-混凝土交界面相对滑移变化规律

5．5 本章小结

第六章 结论、设计建议与研究展望

6．1 本文主要结论

6．2 工程设计建议

6．2．1 截面尺寸及形状

6．2．2 正截面抗弯承载力

6．2．3 跨中挠度计算

6．2．4 剪力连接件设计

6．2．5 其他构造措施

6．3 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文