双面组合连续梁裂缝扩展机理与裂缝宽度研究

钢-混凝土双面组合梁是一种新型组合结构。对3根钢-混凝土双面组合2跨连续梁模型进行加载试验和有限元数值模拟研究,测得上翼缘混凝土板裂缝扩展状况,发现其主要表现为负弯矩区上混凝土板弯曲裂缝;对裂缝扩展规律与机理进行分析探讨,得到裂缝宽度随荷载增加的变化曲线;建立模型梁平面问题的ANSYS分析模型,考虑钢梁与混凝土板、受拉混凝土与钢筋间的界面滑移以及混凝土受拉产生局部损伤直至退出工作的过程,通过测量节点位移的变化得到裂缝宽度,与试验实测结果吻合良好;通过数值计算获得最大裂缝宽度与下混凝土板厚的关系。     

混凝土开裂后连续组合梁刚度退化试验研究与数值分析

负弯矩区混凝土裂缝分布规律及开裂后主梁刚度退化是钢-混凝土组合连续梁变形和耐久性设计的关键问题。基于两跨连续梁模型试验,测试对称集中力作用下负弯矩区混凝土板的开裂特征、裂缝扩展和挠度变化规律。结合现有文献中负弯矩区混凝土裂缝分布的统计规律,构建考虑相邻裂缝间混凝土受拉加劲效应的裂缝模型。采用数值模拟方法对试验梁加载过程中混凝土板的开裂过程进行非线性分析,获得连续组合梁的刚度退化规律,探索钢-混凝土组合连续梁设计参数影响作用。研究结果表明：与现有规范相比,考虑裂缝间混凝土板作用计算的挠度值与试验值更接近,钢梁截面应力和纵筋的应力计算值与试验结果吻合较好,证明相邻裂缝间未开裂部分混凝土板对组合梁抗弯刚度有受拉强化作用。连续组合梁的刚度随荷载增大具有前期小幅退化、中期基本稳定、后期快速退化的规律,破坏前主梁刚度退化幅度最大约60%。钢梁高度对组合梁抗弯刚度的影响最大,钢梁腹板厚度次之,混凝土抗压强度和混凝土板内纵筋的配筋率有一定影响,而抗剪连接度的影响最小。研究成果可为钢-混组合梁连续梁设计和刚度计算提供参考。     

带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究

钢-混凝土组合梁在负弯矩区混凝土受拉开裂的问题,将引起组合梁刚度的降低,承载力下降,成为制约组合结构发展应用的重要原因之一。针对该问题提出一种基于带约束构造栓钉连接件的组合板构造措施,即在组合梁负弯矩区混凝土翼缘板增加附加钢板,附加钢板和钢梁上分别焊接带约束构造的栓钉连接件,两者相互咬合交错布置在混凝土板两侧。通过双界面抗剪性能试验验证在负弯矩区采用附加钢板帮助混凝土受拉的可行性以及该组合板构造措施抑制混凝土板受拉开裂的有效性,并对组合板中带约束构造栓钉连接件的界面抗剪性能进行研究。研究结果表明：带约束构造的栓钉连接件能将裂缝约束在6倍栓钉直径范围内,避免混凝土板纵向贯通劈裂裂缝,充分发挥混凝土受压强度高的优点,且约束构造能有效提高栓钉的抗剪刚度;证明在负弯矩区采用附加钢板替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉切实可行,带约束构造的栓钉连接件能降低纵向抗剪横向钢筋的用量;提出带约束构造栓钉连接件的抗剪刚度计算公式以及能评价不同长径比栓钉的材料利用效率和抗剪效率的剪切刚度比-剪切角理论曲线,建议带约束构造的栓钉连接件弹性抗剪刚度极限值,为此类剪力连接件的工程应用奠定良好的试验和理论基础。     

考虑剪切变形的钢-混组合梁动力特性解析解

考虑混凝土板和钢梁的剪切变形以及两者分界面处的相对滑移的影响，推导了钢-混组合梁包含黏性阻尼的运动微分方程，得到了其自振特性的解析表达式，并讨论了振型的正交性。分析模型中采用更加符合钢-混组合梁运动状态的子梁独立剪切角假设，提高频率的计算精度。对比分析该理论、子梁相同剪切角假设的Timoshenko组合梁理论、Euler-Bernoulli组合梁理论、Ansys数值分析和试验测试结果。结果表明：提出的理论计算模型比其他两种理论计算模型的精度更高；剪切变形对钢-混组合梁动力性能的影响不可忽略，且混凝土板和钢梁的剪切角不可假定为相等的。     

负弯矩作用下钢-混凝土组合与叠合梁静力性能试验研究

在钢-混凝土双面组合梁(DCB)的基础上,提出了钢-混凝土组合与叠合梁结构(CLB)。给出了CLB截面弯曲刚度、极限弯矩的简化计算方法。为进一步研究CLB结构的受力性能,设计了二根简支CLB和一根简支DCB模型,进行了反向加载试验,得到了完整的荷载-挠度曲线、典型截面正应变分布、钢筋混凝土顶板开裂情况和钢梁与混凝土顶板间叠合界面相对滑移曲线。研究结果表明:CLB结构的塑性极限承载能力低于DCB结构;正常使用阶段,二者的承载能力相当,但CLB结构的抗裂性能却远优于DCB结构:前者混凝土顶板开裂呈弯曲型,裂缝宽度窄,而后者混凝土顶板开裂基本呈轴拉型,裂缝宽度较大。CLB结构更适用于连续组合梁桥的负弯矩区。     

钢-混凝土双面组合连续梁承载能力研究

双面组合梁是一种新型组合结构。首先根据双面组合截面的工作特点,得出双面组合截面的开裂弯矩和弹性极限弯矩的计算公式;考虑钢材和混凝土的材料塑性,得出双面组合截面的受弯承载力计算公式。根据正、负弯矩区弯矩比与刚度比的关系,确定负弯矩区长度范围,据此可确定不同截面刚度的梁段长度,进行弹性内力分析;介绍采用塑性极限分析法分析双面组合梁内力的条件和方法。最后,介绍2×2.9 m双面组合连续梁的模型试验概况,给出对称、逐级加载时得到的试验梁荷载-挠度曲线,并将试验结果与理论计算结果进行比较,验证理论计算公式的准确性。研究结果可为双面组合连续梁的设计提供参考。     

全组合连续梁设计关键技术

钢混组合连续梁负弯矩区混凝土受拉开裂一直是困扰国内外桥梁工程界的问题,虽然可以采取施工措施予以解决,但成桥内力仍取决于施工阶段的控制水平,且技术较为复杂。不同于传统钢混组合连续梁,本文以一联3×30 m钢板组合连续梁为例,根据其正负弯矩区的受力特点,首次提出了全组合连续梁的概念。全组合连续梁由正组合截面和负组合截面通过混合桥面板连接而成,且钢梁受力是连续的。通过结构设计、计算和受力机理分析,提出了适用于多片预制主梁的叠合湿接缝构造等多项设计关键技术,从而为组合连续梁设计提供了一种新方案。     

客货共线铁路钢-混结合连续梁受力特征计算分析

针对(5×40)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m跨度系列的客货共线铁路钢-混结合连续梁进行截面比选与尺寸拟定,运用MIDAS/Civil软件建模,对各荷载组合工况下的梁体受力特征进行计算。结果表明:设计速度200 km/h客货共线铁路钢-混结合连续梁的设计控制指标为材料应力,可采取适当降低负弯矩区钢梁与桥面板之间的局部联结程度、局部增加钢梁上翼缘板厚等方法作为有效控制措施;与相同跨度预应力混凝土连续梁相比,钢-混结合连续梁的自重可降低约1/2。     

钢-混凝土叠合板组合桥面的徐变和应力重分布研究

以某特大跨度拱桥的钢-混凝土叠合板组合桥面为工程背景进行有限元分析,探讨了活载和恒载作用下不同龄期混凝土弹性模量的取值;研究了预制板不同加载龄期、混凝土板是否采用叠合板等因素对大跨度钢-混凝土叠合板组合结构徐变的影响,以及钢-混凝土叠合板组合梁截面由于徐变引起的内力重分布效应。研究结果表明:钢-混凝土叠合板组合结构中,由于预制混凝土板和现浇混凝土龄期不同,从而收缩徐变和变形模量不同,在运营过程中,会引起现浇混凝土、预制混凝土板和钢梁三者之间发生应力重分布。与全部一次现浇混凝土组合梁相比,采用叠合板梁可以减少混凝土的收缩徐变。     

钢-混凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究

对3根钢-混凝土双面组合2×2.9 m两跨连续梁模型进行试验研究,得到完整的荷载-挠度曲线.考虑交界面相对滑移的影响,利用ANSYS软件建模对组合梁进行结构分析;建立钢-混凝土双面组合梁截面弹性极限和塑性极限承载能力的简化计算方法.研究结果表明,采用该简化计算方法所得结果与实测结果较吻合,该方法可供工程设计参考.     

钢-混凝土简支结合梁基本动力特性的解析解

考虑钢梁与混凝土板之间的相对滑移,对考虑阻尼的钢-混凝土结合梁基本动力方程进行推导,采用分离变量法得到简支结合梁自振频率与振型的解析解,并对其正交条件进行探讨。将理论分析结果、数值结果及试验结果进行对比分析,结果吻合良好。分析结果表明:由于柔性抗剪连接件的存在,结合梁中钢梁与混凝土板之间发生相对滑移,其动力平衡方程形式更为复杂,表现出与普通梁不同的动力特性。     

高速铁路钢-混凝土混合连续梁桥设计关键技术

阜淮高铁跨涡河采用（82+180+82） m钢-混凝土混合连续梁桥,通过对混合连续梁整体分析,选择合理的结构形式及边中跨比;通过对跨中钢梁长度的比选,选择合理的钢-混结合段位置;建立空间有限元模型,分析钢-混结合段的局部应力;对结构自振特性和车桥耦合动力响应进行分析。研究结果表明,钢混连续梁具有较大的结构刚度,对无砟轨道适应性好;通过合理选择结合段位置,使结合段和主梁受力更加合理,钢混结合段通过合理的结构过渡构件,使内力可以得到良好的传递。     

群钉连接装配式组合轨道梁受力特性研究

为促进钢-混凝土组合结构的工业化建造,实现钢构件和混凝土构件的工厂化预制、装配化施工,针对传统剪力钉均匀满铺建立的等效刚度理论不能反映群钉集中布置时组合结构受力特性的问题,以跨座式单轨交通为研究背景,设计制作群钉连接装配式钢-混凝土组合轨道梁,进行装配前的钢梁与装配后的组合梁固有频率、荷载-挠度曲线、截面应变曲线对比分析,研究群钉连接组合梁的受力特征。结果表明:钢梁、组合梁实测竖弯固有频率分别为29.9和32.2 Hz,混凝土板的叠合使组合梁固有频率较钢梁提高8%;组合梁内同一截面高度的钢梁和混凝土板变形不协调,混凝土板应变显著大于钢梁,是钢梁的2.5~2.8倍,不满足平截面假定;组合梁实测等效竖弯刚度随作用荷载变化呈非线性特征,简支边界条件下,实测等效竖弯刚度为理论值的0.9~1.1倍,跨中集中荷载小于500 kN时实测等效竖弯刚度大于理论值,而大于500 kN时实测等效竖弯刚度小于理论值。     

2种不同构造形式的钢-混组合桁架节点试验研究

钢-混凝土组合桁架是一种由钢腹杆和混凝土弦杆组成的新型结构形式。进行了2种不同构造的节点模型试验,介绍了试验方法和结果,描述了节点在加载过程的力学行为,对比了不同节点的受力性能、承载力和破坏模式。试验结果显示节点的失效模式可能有:混凝土开裂破坏、节点板屈曲和受拉钢腿螺栓滑移。应用有限元软件ABAQUS对试件进行全过程数值模拟分析,对比不同的有限元分析结果,明确了不同节点的薄弱部位。研究成果可以为该实际工程和同类工程节点设计提供试验参考和理论依据。     

考虑钢-混凝土滑移效应的下承式钢桁结合梁受力特性研究

对下承式64 m双线钢桁结合梁,考虑钢梁与混凝土板之间的滑移,采用空间梁、板壳单元建立有限元计算模型,钢梁与混凝土板间的连接根据剪力钉刚度,采用弹性连接模拟,通过二期恒载、混凝土桥面板收缩徐变工况的计算分析,研究下承式钢桁结合梁受力特性。计算结果表明,下承式钢桁结合梁中由于混凝土板与主桁下弦杆共同作用承受纵向拉力,钢梁与混凝土板之间的滑移对桥梁结构内力影响较大,设计计算时不适合采用钢梁与混凝土板刚接或换算截面法,建议根据剪力钉刚度钢梁与混凝土板之间采用弹性连接模拟,不同荷载工况可按结构受力对剪力钉刚度进行适当调整。     

移动荷载作用下简支钢-混结合梁的动力响应分析

考虑钢梁与混凝土板之间的相对滑移,对钢-混结合梁基本动力方程进行推导,采用分离变量法得到简支结合梁自振频率与振型的解析解,利用正交条件,得到移动荷载作用下结合梁动力响应的表达式。将结合梁的自振频率以及移动荷载作用下的动力响应的理论分析结果与实测结果进行对比分析,结果吻合良好。分析结果表明:由于柔性抗剪连接件的存在,结合梁中钢梁与混凝土板之间发生相对滑移,其移动荷载作用下的振动方程形式更为复杂,表现出与普通梁不同的动力特性。     

钢-混凝土组合梁耐久性初步研究

针对钢-混凝土组合结构,对其耐久性影响因素综合考虑,包括环境、材料、构件和结构四个层次;总结了部分钢-混凝土组合结构耐久性的研究成果,包括环境作用、混凝土碳化、氯离子在混凝土中的扩散、酸雨对钢-混凝土组合结构的腐蚀、钢筋锈蚀、钢梁和混凝土板二者连接界面的侵蚀、构件性能退化规律和结构耐久性的评估;并阐述了提高钢-混凝土组合结构耐久性的方法。     

外接式钢—混组合桁架铁路桥端节点试验对比分析

通过多组缩尺比例为1∶3的外接式钢—混凝土组合桁架与钢桁—槽型梁组合结构的单调静力试验,研究节点在加载过程中的失效模式、极限承载力和破坏机理。研究结果表明:外接式钢-混凝土组合桁架破坏模式有混凝土开裂,节点板受压部位局部屈曲,螺栓滑移,节点板被拉断,混凝土与节点板接触面应力集中;钢桁-槽型梁组合结构破坏模式有腹杆失稳破坏,混凝土与节点板接触面应力集中;腹杆加固后钢桁-槽型梁组合结构破坏模式有螺栓滑移,节点板被拉断,混凝土与节点板接触面应力集中。应用有限元软件ABAQUS对各节点进行模拟分析,试验与模拟分析均表明:增加混凝土高度以及节点板尺寸的钢桁-槽型梁组合结构承载力要明显高于节点部位尺寸较小的外接式钢-混凝土组合桁架,在整体尺寸不变的情况下,可通过改变各部件所占整体的刚度比来达到控制节点破坏模式的目的。     

钢-活性粉末混凝土简支组合梁正截面破坏模式

针对钢一普通混凝土组合梁由于混凝土材料缺陷所导致的一些局限性,将砒RPC引入到组合梁领域,形成钢-活性粉末混凝土组合梁.采用对比分析,采用ANSYS软件对钢-普通混凝土简支组合梁进行分析,将计算结果与试验结果进行比较,时有限元模型进行验证,然后在其他参数不变的条件下,将混凝土板更换为RPC板,用ANSYS对钢-RPC组合梁进行全过程非线性分析,并对RPC板厚、钢梁屈服强度和钢梁截面尺寸进行参数分析.定义了正弯矩作用下钢-RPC组合梁正截面破坏的弹性模式和塑性模式,研究了不同参数下2种计算模式的差别,认为正弯矩作用下钢-RPC组合梁的正截面抗弯承栽力仍然可以按照简单塑性理论进行计算.     

二阶弯矩对钢-混凝土组合梁变形的影响

推导了任意边界条件下承受轴力及横向荷载的钢-混凝土组合梁的耦合变形微分方程,对组合梁的变形挠度进行了理论分析,研究了混凝土板与钢梁介面滑移的影响,同时探讨了因轴力而产生的二阶弯矩(p-δ弯矩)对组合梁变形的影响,可为钢-混凝土组合结构稳定性及极限承载力研究提供理论基础。