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随着建筑工业化的不断推广,装配式组合梁成为装配式桥梁建设的热点,本文依托导师主持的交通运输部科技项目“整体/半幅装配式钢-砼组合简支梁桥建造技术研究”(2018-MS1-019),提出“全装配式B-G剪力连接组合梁”的构想,采用大型有限元软件ABAQUS的仿真分析,对全装配式B-G剪力连接组合梁的构造细节和力学性能开展深入研究,探索全装配式B-G剪力连接组合梁的可行性,主要研究工作及结论如下:
(1)阐明了全装配式B-G剪力连接组合梁的抗剪构造原理:在预制钢梁顶面设置剪力钢条和螺栓预留孔,在节段预制混凝土板肋底面对应设置预留剪力槽(Groove)和预埋下穿螺杆(Blot),通过混凝土板与钢梁结合界面的槽-条齿合提供组合梁的水平抗剪力,穿过钢梁上翼板锚固的螺杆承担组合梁的上拔力;研究完善了组合梁的构造细节,探讨了组合梁的建造施工方案,采用工厂预制钢梁和混凝土板,现场架设钢梁、拼装混凝土板、抗拔螺栓的施工方法。
(2)采用大型有限元软件ABAQUS,建立了30m全装配式B-G剪力连接组合梁实体有限元模型,根据全装配式B-G剪力连接组合梁的特点和关键构造,选取了合理的材料本构、单元类型、边界条件和加载方式,探讨了组合梁条-槽结合构造、预制板接缝、抗拔螺杆等关键构造的模拟方法,混凝土板预留剪力凹槽,在剪力钢条与混凝土板接触表面建立相互作用模拟条-槽结合构造,通过设置粘结层模拟预制板接缝,螺帽与钢梁采用硬接触,螺杆与钢梁不设置相互作用,模拟抗拔不抗剪螺杆,从而形成全装配式B-G剪力连接组合梁的有限元分析方法;基于弹塑性理论,计算得到组合梁屈服弯矩My和极限弯矩Mu,通过与有限元分析结果对比,验证了建模方法的正确性。
(3)结合有限元计算结果,分析了全装配式B-G剪力连接组合梁的受力性能,得到了组合梁从加载到破坏全过程的荷载-挠度曲线,剖析了钢梁、混凝土板、剪力钢条、抗拔螺杆等关键构件的应力变化特征;通过设置钢条高度、钢条长度、钢条宽度、钢条间距、螺杆直径、螺杆高度、螺杆间距为变量,其它参数不变,明确了各变量对全装配式B-G剪力连接组合梁力学性能的影响。组合梁从加载到破坏,分为明显的三个阶段;组合梁的破坏特征是典型的弯曲破坏;钢条高度、钢条长度对组合梁的整体刚度影响有限,钢条间距对组合梁刚度和受力性能都有较大影响,随着钢条高度、长度和间距的增大,组合梁破坏模型有从脆性破坏过渡到塑性破坏的趋势;螺杆直径的增加,会减小最大掀起位移,相反,螺杆间距的增加,会增大最大掀起位移;螺杆高度对最大掀起位移的影响取决于螺杆因随钢梁弯曲转动对混凝土板施加的合力作用点的位置。
(4)参考有限元分析结果,结合已有的研究成果,采用理论分析的方法,得到了剪力钢条抗剪承载能力的简化计算方法,推导出钢梁与混凝土板最大掀起位移的简化计算方法,从而得到了全装配式B-G剪力连接组合梁中剪力钢条和抗拔螺杆的简化设计公式,应用提出的简化计算公式与有限元计算结果的对比分析,两者吻合较好,验证了本文算法的准确性,为全装配式B-G剪力连接组合梁试验和推广打下良好的基础。
(1)阐明了全装配式B-G剪力连接组合梁的抗剪构造原理:在预制钢梁顶面设置剪力钢条和螺栓预留孔,在节段预制混凝土板肋底面对应设置预留剪力槽(Groove)和预埋下穿螺杆(Blot),通过混凝土板与钢梁结合界面的槽-条齿合提供组合梁的水平抗剪力,穿过钢梁上翼板锚固的螺杆承担组合梁的上拔力;研究完善了组合梁的构造细节,探讨了组合梁的建造施工方案,采用工厂预制钢梁和混凝土板,现场架设钢梁、拼装混凝土板、抗拔螺栓的施工方法。
(2)采用大型有限元软件ABAQUS,建立了30m全装配式B-G剪力连接组合梁实体有限元模型,根据全装配式B-G剪力连接组合梁的特点和关键构造,选取了合理的材料本构、单元类型、边界条件和加载方式,探讨了组合梁条-槽结合构造、预制板接缝、抗拔螺杆等关键构造的模拟方法,混凝土板预留剪力凹槽,在剪力钢条与混凝土板接触表面建立相互作用模拟条-槽结合构造,通过设置粘结层模拟预制板接缝,螺帽与钢梁采用硬接触,螺杆与钢梁不设置相互作用,模拟抗拔不抗剪螺杆,从而形成全装配式B-G剪力连接组合梁的有限元分析方法;基于弹塑性理论,计算得到组合梁屈服弯矩My和极限弯矩Mu,通过与有限元分析结果对比,验证了建模方法的正确性。
(3)结合有限元计算结果,分析了全装配式B-G剪力连接组合梁的受力性能,得到了组合梁从加载到破坏全过程的荷载-挠度曲线,剖析了钢梁、混凝土板、剪力钢条、抗拔螺杆等关键构件的应力变化特征;通过设置钢条高度、钢条长度、钢条宽度、钢条间距、螺杆直径、螺杆高度、螺杆间距为变量,其它参数不变,明确了各变量对全装配式B-G剪力连接组合梁力学性能的影响。组合梁从加载到破坏,分为明显的三个阶段;组合梁的破坏特征是典型的弯曲破坏;钢条高度、钢条长度对组合梁的整体刚度影响有限,钢条间距对组合梁刚度和受力性能都有较大影响,随着钢条高度、长度和间距的增大,组合梁破坏模型有从脆性破坏过渡到塑性破坏的趋势;螺杆直径的增加,会减小最大掀起位移,相反,螺杆间距的增加,会增大最大掀起位移;螺杆高度对最大掀起位移的影响取决于螺杆因随钢梁弯曲转动对混凝土板施加的合力作用点的位置。
(4)参考有限元分析结果,结合已有的研究成果,采用理论分析的方法,得到了剪力钢条抗剪承载能力的简化计算方法,推导出钢梁与混凝土板最大掀起位移的简化计算方法,从而得到了全装配式B-G剪力连接组合梁中剪力钢条和抗拔螺杆的简化设计公式,应用提出的简化计算公式与有限元计算结果的对比分析,两者吻合较好,验证了本文算法的准确性,为全装配式B-G剪力连接组合梁试验和推广打下良好的基础。