预应力钢板夹心混凝土组合构件的力学性能研究

摘要

随着城市建设和交通运输业的发展，对建筑结构提出了更高的要求，这就要求承重构件应具有承载力高、刚度大、截面尺寸小、施工方便及节约材料等优点。由此，出现一种新的结构形式，即钢与混凝土组合结构，这种结构能够充分利用钢所具有的优越抗拉性能和混凝土所具有的优越抗压性能，使材料得到充分利用，这种结构已经在很多超高层建筑、大跨度结构中得到应用。
　　钢板夹心混凝土组合构件是钢与混凝土组合结构一种新的形式，它是在两层钢板之间浇注混凝土，钢板与混凝土相互作用是通过焊接在钢板上的剪力连接件来实现的，这种组合构件的上钢板和下钢板既可以充当受力钢筋，又可作为永久性模板，组合构件具有承载力高、刚度大、抗渗性能好、抗冲击荷载和爆炸荷载能力强等优点。国内外对钢板夹心混凝土组合构件的研究刚刚开始，很多问题没有得到解决，需要进行系统而全面的理论与试验研究。在国内外研究成果的基础上，本文结合钢板夹心混凝土组合构件的自身受力特点，采用试验研究、理论分析及计算机模拟相结合的方法，研究预应力钢板夹心混凝土组合构件的力学性能。
　　通过试验，研究钢板夹心混凝土组合构件的工作机理与破坏形态，探讨了含钢率、混凝土板厚度对钢板夹心混凝土组合构件承载能力的影响，分析了组合构件的应变变化规律、荷载一变形关系等。试验结果表明，组合构件的承载力随含钢率增加、混凝土厚度的增加而增大。组合构件的变形能力强，其破坏伴随着局部变形，属于塑性破坏。
　　通过试验，研究无粘结预应力钢板夹心混凝土组合构件的工作机理与破坏形态，探讨了含钢率、混凝土厚度对预应力钢板夹心混凝土组合构件承载能力和变形的影响，分析了组合构件的变化规律、荷载—变形关系等。试验结果表明，组合构件的承载力随含钢率增加、混凝土厚度的增加而增大。预应力组合构件的变形能力强，其破坏伴随着局部变形，属于塑性破坏，在极限状态时，预应力筋未达到极限抗拉强度。
　　利用能量变分原理，建立了考虑预应力影响的钢板夹心混凝土组合构件截面压力、界面剪力计算公式，以及界面滑移效应和预应力影响下的组合构件变形计算公式，分析了连接件刚度、荷载大小、混凝土强度等级及含钢率等对其性能的影响。计算结果表明:钢板轴向力随着连接刚度的增加和外荷载的增加而增加，随着混凝土强度的提高和含钢率的增加而减小;组合构件的变形随着连接刚度的增加、混凝土强度的提高及含钢率的增加而减小，随着外荷载的增加而增大。
　　利用合成法，研制了预应力钢板夹心混凝土组合构件的非线性全过程分析程序，计算得到了预应力组合构件的弯矩-曲率、荷载-变形的关系曲线，探讨了组合构件的宽度、厚度、钢板厚度及混凝土强度等级等参数对承载能力和变形的影响，计算结果表明:组合构件的承载能力和刚度随着混凝土强度的增加和含钢率的增加而增加，但是，增加幅度不是很明显;随着组合构件的厚度和宽度增加而增加，并且，影响相对比较明显。
　　采用按龄期调整有效模量与分时步徐变叠加法，建立了预应力钢板夹心混凝土组合构件的徐变效应分析模型，编制了相应徐变分析计算程序，计算分析了含钢率、混凝土强度等级、组合构件厚度、组合构件宽度等主要设计参数对徐变的影响，及徐变对组合构件的截面应力、界面剪力、变形等力学性能的影响。计算结果表明，预应力钢板夹心混凝土组合构件的截面应力、变形及界面滑移等随着时间的增加而增加，经过三个月增长后趋于稳定;组合构件的宽度和钢板厚度较大时，组合构件的变形随时间增加相对较小;组合构件界面连接刚度越大，组合构件端部界面滑移随着时间的增加而增加较小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钢与混凝土组合结构

1．2 预应力钢与混凝土组合结构

1．3 钢板夹心混凝土组合构件

1．4 预应力钢板夹心混凝土组合构件

1．5 国内外研究现状

1．6 研究目的与意义

1．7 论文主要研究内容

1．8 小结

第2章 钢板夹心混凝土组合构件试验研究

2．1 试验概况

2．1．1 试件设计

2．1．2 试件制作

2．1．3 材料性能

2．1．4 测量内容与方法

2．1．5 加载方案

2．2 试验结果与分析

2．2．1 试件破坏形态

2．2．2 荷载与变形关系

2．2．3 荷载与应变关系

2．3 影响参数分析

2．4 小结

第3章 预应力钢板夹心混凝土组合构件试验研究

3．1 试验概况

3．1．1 试件设计

3．1．2 试件制作

3．1．3 材料性能

3．1．4 加载方式

3．2 试验结果与分析

3．2．1 试件破坏形态

3．2．2 荷载与变形关系

3．2．3 荷载与应变关系

3．3 影响参数分析

3．4 小结

第4章 预应力钢板夹心混凝土组合构件的界面剪力与变形

4．1 钢板与混凝土轴向力

4．1．1 基本理论公式

4．1．2 计算公式

4．1．3 算例分析

4．2 界面剪力计算

4．3 组合构件的变形计算

4．3．1 计算公式

4．3．2 算例分析

4．4 小结

第5章 预应力钢板夹心混凝土组合构件非线性分析

5．1 材料本构关系

5．2 计算方法

5．2．1 组合构件板面划分

5．2．2 计算方法与步骤

5．3 计算结果分析

5．4 小结

第6章 预应力钢板夹心混凝土组合构件的徐变效应分析

6．1 混凝土徐变效应理论

6．1．1 徐变理论

6．1．2 计算方法

6．2 预应力组合构件徐变效应分析模型

6．2．1 短期荷载作用

6．2．2 长期荷载作用

6．3 徐变效应分析

6．3．1 内力与变形沿构件长分布

6．3．2 内力与变形随时间变化

6．3．3 主要设计参数的影响

6．4 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

攻读博士期间参加科研项目