不同连接程度下钢-混凝土组合梁的理论及试验研究

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钢-混凝土组合梁是由外露的钢梁与混凝土面板形成的组合结构。二者通过抗剪连接件相连接,使组合梁充分利用了这两种材料各自的优点,具有承载力高、刚度大、抗震性能好等特性,现已广泛应用于各种工程结构。抗剪连接件是将钢梁与混凝土翼板组合在一起共同工作的关键部件,其形成的抗剪连接作用是钢-混凝土组合梁充分发挥承载力的前提。规范将连接程度定义为组合梁所布置的栓钉个数与完全抗剪连接栓钉个数的比值,本文针对不同连接程度的钢-混凝土组合梁进行了理论与试验研究,主要研究工作包括四个部分:(1)栓钉推出试验与不同连接程度组合梁静力抗弯试验研究。通过栓钉推出试件,探究了栓钉连接件的抗剪承载力与荷载-滑移关系;对不同连接程度的组合梁进行了静力破坏试验,结果表明,不同抗剪连接程度组合梁的静力破坏模式存在差别,组合梁的抗弯刚度、承载能力和变形能力均随抗剪连接程度的降低而降低;低连接程度组合梁的钢梁与混凝土板内产生了各自的中性轴,材料性能不能充分发挥。(2)考虑界面滑移与剪切变形的组合梁解析计算方法研究。建立控制微分方程,得到了简支组合梁跨中集中荷载下挠度、滑移与应力的解析解;对比试验数据,验证了推导的正确性。讨论了组合梁界面剪切刚度的取值方法与对相关计算结果的影响,并将本文算法所得结果与既有的挠度、承载力计算方法进行了对比与分析。(3)组合梁实体有限元仿真模拟。采用通用有限元软件ABAQUS建立实体单元模型,对不同抗剪连接程度组合梁的受弯过程进行仿真模拟;对比试验结果,检验模型的正确性,并讨论了不同建模方法的影响。在此基础上,利用正交试验法与Python脚本编程建模,并进行了参数分析,结果表明,栓钉间距与直径对组合梁受力性能影响较大,长度与材料强度在所分析范围内几乎没有影响。论文最终拟合了组合梁承载能力、滑移与连接程度的计算公式。(4)不同连接程度组合梁疲劳试验研究。通过对不同连接程度的组合梁进行疲劳破坏试验,对比其各项受力性能进行分析讨论;并基于实验结果,建立了疲劳荷载作用下不同连接程度的组合梁疲劳寿命预测方法。结果表明,抗剪连接程度对疲劳寿命的影响相对静承载力更为显著,在桥梁设计时需尽量使用完全抗剪连接组合梁。
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