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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。