体外预应力钢—混凝土组合梁负弯矩区失稳的基础理论研究

摘要

体外预应力组合梁是在普通组合梁外侧，合理布置高强度预应力钢索，并对其进行张拉，使梁在承受全部外荷载前建立起预应力，该预应力能够减小或抵消外荷载作用产生的应力，达到改善梁受力性能、提高梁刚度的效果。论文通过试验、理论和有限元分析，对预应力连续组合梁整体和局部失稳和失稳后的受力性能进行了研究，建立了连续组合梁承载力极限状态下有限元计算模型和分析方法，回归了计算组合梁的承载力公式和延性公式，给出了预应力连续组合梁的内力调幅值的确定方法，完善了预应力连续组合梁内力重分布的设计理论。完成的主要工作和得到的主要结论有： ⑴对2根两跨连续组合梁和2根体外预应力连续组合梁进行了试验研究。试验表明：混凝土开裂引起连续组合梁负弯矩区截面刚度下降，导致试件在较低荷载下就已发生明显的内力重分布；在负弯矩作用区域，预应力的施加有效延缓了裂缝的出现和发展，提高了截面的刚度。组合梁负弯矩区的承载能力和崩曲后性能皆受稳定控制，不考虑屈曲对承载力和刚度的评价会带来不安全的结果。负弯矩区体外预应力索应力增量较小，可以忽略不计。连续梁的最终破坏表现为负弯矩钢梁屈曲和正弯矩区混凝土压碎。 ⑵建立了预应力组合梁的ANSYS、ABAQUS有限元计算模型。计算模型考虑混凝土的开裂、压碎，栓钉剪切变形，板件失稳等影响因素。采用本文提出的有限元模型，通过与几组国内外文献报导梁试验结果的分析对比，表明有限元数值模拟结果与试验结果吻合良好，可以较好模拟组合梁在负弯矩作用下的屈曲和屈曲后力学行为，为组合梁的深入研究和参数变化分析提供了一种有效的方法。 ⑶对受负弯矩作用的组合梁进行了整体稳定分析，在能量法和弹性约束压杆稳定理论所推导的组合梁稳定承载力计算方法基础上，探讨了影响组合梁整体侧扭失稳的因素。采用有限元分析方法对预应力组合梁在负弯矩作用下的承载能力进行了200根梁的参数分析，在此基础上定义了组合梁柔细比公式，提出了稳定极限承载力的计算方法和计算公式。讨论了设置加劲肋和设置侧向约束支承避免整体失稳的方法，推导了负弯矩作用下，避免组合梁整体侧扭失稳的加劲肋和支承设置的刚度条件和最小间距，对连续组合梁的极限承载力设计具有参考价值。 ⑷研究了线弹性状态下板的屈曲承载力，探讨了影响板件屈曲的因素。采用悬臂梁模型，用有限元分析方法对局部屈曲情况下的预应力组合连续梁进行了计算分析，通过对影响截面力学性能各参数的参数分析，给出了组合梁在负弯矩作用下塑性铰长度的取值。给出了负弯矩区转动能力的计算参数，回归了转动能力的计算公式。探讨了增强组合梁在负弯矩作用下延性的具体措施，并给出了设计建议。 ⑸推导了普通连续组合梁在一定延性条件下的调幅能力，讨论了预应力连续组合梁的调幅能力，从正负弯矩区的承载能力角度推导了不同跨度和荷载分布形式的连续梁调幅需求，提出了适用于普通组合梁和预应力组合梁的调幅能力计算方法。通过国内外文献中的28根试验梁对照分析，对本文所提出的调幅系数确定方法进行了讨论，验证了本文方法的正确性。根据承载力能力推导的调幅系数与试验值吻合较好。本文提供的调幅系数求法，可有效的发挥连续组合梁极限承载力，对连续组合梁优化设计具有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1体外预应力连续组合梁稳定问题概述

1.2国内外在该研究方向研究现状及发展动态

1.3目前存在的主要问题

1.4本文的主要研究工作

1.4.1研究对象

1.4.2研究目的

1.4.3研究内容

第2章预应力连续组合梁试验研究

2.1试验概况

2.2试验设计及内容

2.2.1试验设计

2.2.2材料性能

2.2测点及数据采集

2.3试验装置及加载方案

2.4试验结果及分析

2.4.1试验梁的加载破坏

2.4.2钢梁及钢筋应变

2.4.3侧向整体失稳的测量

2.4.4预应力增量

2.4.5梁端滑移的测量

2.4.6内力重分布过程

2.5小结

第3章负弯矩下钢-混凝土组合梁有限元建模与分析

3.1概述

3.2单元类型

3.2.1 ANSYS单元类型选择

3.2.2 ABAQUS单元类型选择

3.3材料参数

3.4建模思想

3.4.1混凝土板和钢梁之间的相互作用

3.4.2钢筋、预应力筋的建立

3.4.3预应力及外荷载的施加

3.4.4有限元方法进行稳定分析的思想

3.4.5初始缺陷的施加

3.4.6失稳类型的判定

3.5有效性验证

3.5.1 ANSYS求解简支梁承受负弯矩的弹性临界承载力

3.5.2 ANSYS求解简支梁承受负弯矩的弹塑性极限承载力

3.5.3 ABAQUS在求解简支梁负弯矩下的极限承载力和变形能力

3.5.4连续组合梁ABAQUS分析

3.5.5连续组合梁的进一步有限元分析

3.6小结

第4章预应力组合梁整体失稳和极限承载能力

4.1负弯矩作用下预应力组合梁塑性抗弯承载力

4.2负弯矩作用组合梁临界失稳因素分析

4.2.1基于能量法的负弯矩作用下翼缘侧向弯扭

4.2.2弹性约束压杆模型计算负弯矩作用下组合梁侧向失稳

4.3弹塑性失稳时影响稳定系数的参数分析

4.3.1力比影响

4.3.2残余应力和初始几何缺陷影响

4.3.3腹板、受压翼缘宽厚比及跨度的影响

4.4拟合曲线及讨论

4.4.1拟合曲线

4.4.2对第二章试验梁的整体稳定的讨论

4.5组合梁侧向失稳预防

4.5.1支承

4.5.2腹板加肋

4.5.3腹板加肋或支承有限元参数评价

4.5.4讨论

4.6小结

第5章预应力组合梁局部屈曲下的延性研究

5.1引言

5.2延性定义

5.3弹性理论求解板件的屈曲

5.4塑性铰长度

5.4.1梁侧向支承对塑性铰长度的影响

5.4.2梁跨高比对塑性铰长度的影响

5.4.3腹板高厚比

5.4.4力比对塑性铰长度的影响

5.4.5翼缘宽厚比影响

5.4.6塑性铰长度的讨论

5.5转动能力：现有模型的分析和比较

5.6预应力组合梁转动能力的影响因素分析

5.6.1不同力比的影响

5.6.2腹板高厚比影响

5.6.3翼缘宽厚比

5.6.4梁跨高比和钢材型号的影响

5.7考虑局部屈曲因素组合梁负弯矩区截面转动能力计算公式

5.7.1转动能力计算公式建立的原则

5.7.2参数选择和公式回归

5.8提高梁延性性能的措施

5.8.1钢梁截面的高厚比限值

5.8.2纵向加劲肋的设置

5.9小结

第6章预应力连续组合梁弯矩重分布及承载力

6.1引言

6.2国内外的设计规范规定

6.3组合梁在一定转动能力下所对应调幅能力

6.3.1普通组合梁

6.3.2预应力组合梁

6.4按正负弯矩区承载能力决定的调幅系数及其确定方法

6.4.1集中荷载下的调幅需求

6.4.2均布荷载下的调幅需求

6.4.3调幅系数确定

6.5文献中的试验

6.6小结

第7章结论与建议

7.1结论

7.2关于进一步研究工作的建议

参考文献

附录 预应力组合梁正弯矩区承载能力及负弯矩区开裂弯矩的计算

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果