钢—混凝土组合梁界面特性分析与加劲钢板—混凝土组合板荷载分布宽度试验研究
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摘要
近20年来，钢-混凝土组合结构在我国发展很快，并展示了广阔的应用前景。但在设计理论体系上，和钢筋混凝土结构相比，组合结构领域仍存在大量尚未解决的问题。本文基于理论分析、试验研究以及数值模拟相结合的研究方法，以国内正在修建的广东佛山东平大桥为工程背景，对钢-混凝土组合梁的界面特性和钢-混凝土组合板的荷载分布宽度两个问题进行了研究，并取得了以下研究成果：
1．以均布荷载作用下的简支组合梁为对象，研究了由栓钉等柔性连接件发生塑性变形而引起的纵向剪力重分布。根据连接件的实际受力状态，将界面受力全过程划分为3个工作阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，建立了各阶段内界面纵向剪力重分布的简化计算模型，并推导了界面纵向剪力和轴向力的计算公式。这有助于深入研究组合梁的力学性能。
2．根据组合梁截面曲率的计算原理，利用本文建立的界面纵向剪力重分布简化计算模型，推导了组合梁截面曲率的理论计算公式。然后以截面曲率和由钢梁或混凝土翼板截面承担的轴向力为基础，建立了组合梁在各个工作阶段内界面相对滑移、滑移应变以及挠度变形的计算方法。在整个推导过程中，不仅考虑了滑移效应的影响，同时还考虑了界面纵向水平剪力重分布现象的影响，具有一定的理论意义。
3．针对一种新型的组合板——加劲钢板-混凝土组合板，精心设计了两决不同结构体系的板，一块为简支体系的单向组合板，一块为悬臂体系的组合板，并开展了足尺模型试验研究，包括静载试验、疲劳试验和破坏试验；分析了弯曲效应控制时计算荷载分布宽度的不同等效标准之间的差别，分析了组合板上、下翼缘荷载分布宽度的差别，动态研究了简支组合板和悬臂组合板在整个受力过程中荷载分布宽度的变化规律。
4．通过对影响加劲钢板-混凝土组合板荷载分布宽度的各种因素进行的分析，确定了3个主要影响因素：组合板厚度、宽跨刚度比以及材料非线性。然后用非线性有限元法，对3个主要影响因素进行了数值分析，并通过数值计算结果，分析了3个因素的影响程度，建立了简支组合板和悬臂组合板在弹性阶段考虑板厚和宽跨刚度比影响的荷载分布宽度修正计算公式，提出了简支组合板和悬臂组合板在承载能力极限状态下荷载分布宽度的提高系数。
At recent 20 years, steel-concrete composite structure develops quickly in our country, which would have wide application. There are still a lot of issues that need to be solved in field of composite structure, compared with traditional reinforced-concrete structure. Combining theoretical analysis, experimental study, numerical simulation methods, and taking Guangzhou Foshan Dongping Bridge as study background, the two issues, interface behavior of steel-concrete composite beam and load distribution width of steel-concrete composite plate, are studied in this dissertation. The main research achievements are summarized as the following:
1. The redistribution of longitudinal shear force, which is caused by the plastic deformation of flexible connectors such as studs, is studied for a simply supported composite beam under uniformly distributed load. Based on the actual working behavior of the connectors, the full-range mechanic behavior of interface is divided into three work-stages, including elastic stage, elasto-plastic stage and failure stage. Simplified analytical models for the redistribution of longitudinal shear force are established and a set of formulae for calculating longitudinal shear force and axial force are presented in each stage. It is helpful to study exactly mechanics behavior of composite beam.
2. The formulae for calculating curvature of composite beam are presented based on the first principles of curvature and the simplified analytical models for the redistribution of longitudinal shear force. Based on the equations of curvature and axial force taken by concrete flange plate, the formulae for calculating slip, slip strain and deflection of composite beam are presented at different work-stage. The consequence considering the influence of slip and redistribution of longitudinal shear force has theoretical value.
3. Stiffened steel plate and concrete composite plate is a new kind of composite plate. Two different structure-system plates are designed such as simply supported composite plate and cantilever composite plate, and full-scale experiment is carried out. The difference of equivalent standards for calculating load distribution width controlled by bending effect is analyzed. And the
1．以均布荷载作用下的简支组合梁为对象，研究了由栓钉等柔性连接件发生塑性变形而引起的纵向剪力重分布。根据连接件的实际受力状态，将界面受力全过程划分为3个工作阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，建立了各阶段内界面纵向剪力重分布的简化计算模型，并推导了界面纵向剪力和轴向力的计算公式。这有助于深入研究组合梁的力学性能。
2．根据组合梁截面曲率的计算原理，利用本文建立的界面纵向剪力重分布简化计算模型，推导了组合梁截面曲率的理论计算公式。然后以截面曲率和由钢梁或混凝土翼板截面承担的轴向力为基础，建立了组合梁在各个工作阶段内界面相对滑移、滑移应变以及挠度变形的计算方法。在整个推导过程中，不仅考虑了滑移效应的影响，同时还考虑了界面纵向水平剪力重分布现象的影响，具有一定的理论意义。
3．针对一种新型的组合板——加劲钢板-混凝土组合板，精心设计了两决不同结构体系的板，一块为简支体系的单向组合板，一块为悬臂体系的组合板，并开展了足尺模型试验研究，包括静载试验、疲劳试验和破坏试验；分析了弯曲效应控制时计算荷载分布宽度的不同等效标准之间的差别，分析了组合板上、下翼缘荷载分布宽度的差别，动态研究了简支组合板和悬臂组合板在整个受力过程中荷载分布宽度的变化规律。
4．通过对影响加劲钢板-混凝土组合板荷载分布宽度的各种因素进行的分析，确定了3个主要影响因素：组合板厚度、宽跨刚度比以及材料非线性。然后用非线性有限元法，对3个主要影响因素进行了数值分析，并通过数值计算结果，分析了3个因素的影响程度，建立了简支组合板和悬臂组合板在弹性阶段考虑板厚和宽跨刚度比影响的荷载分布宽度修正计算公式，提出了简支组合板和悬臂组合板在承载能力极限状态下荷载分布宽度的提高系数。
At recent 20 years, steel-concrete composite structure develops quickly in our country, which would have wide application. There are still a lot of issues that need to be solved in field of composite structure, compared with traditional reinforced-concrete structure. Combining theoretical analysis, experimental study, numerical simulation methods, and taking Guangzhou Foshan Dongping Bridge as study background, the two issues, interface behavior of steel-concrete composite beam and load distribution width of steel-concrete composite plate, are studied in this dissertation. The main research achievements are summarized as the following:
1. The redistribution of longitudinal shear force, which is caused by the plastic deformation of flexible connectors such as studs, is studied for a simply supported composite beam under uniformly distributed load. Based on the actual working behavior of the connectors, the full-range mechanic behavior of interface is divided into three work-stages, including elastic stage, elasto-plastic stage and failure stage. Simplified analytical models for the redistribution of longitudinal shear force are established and a set of formulae for calculating longitudinal shear force and axial force are presented in each stage. It is helpful to study exactly mechanics behavior of composite beam.
2. The formulae for calculating curvature of composite beam are presented based on the first principles of curvature and the simplified analytical models for the redistribution of longitudinal shear force. Based on the equations of curvature and axial force taken by concrete flange plate, the formulae for calculating slip, slip strain and deflection of composite beam are presented at different work-stage. The consequence considering the influence of slip and redistribution of longitudinal shear force has theoretical value.
3. Stiffened steel plate and concrete composite plate is a new kind of composite plate. Two different structure-system plates are designed such as simply supported composite plate and cantilever composite plate, and full-scale experiment is carried out. The difference of equivalent standards for calculating load distribution width controlled by bending effect is analyzed. And the
引文
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