考虑界面非连续变形的钢—混凝土组合梁桥数值模拟研究

【摘要】钢-混凝土组合结构是由剪力钉等剪力连接件将钢和混凝土两种材料部件连接,通过粘着、摩擦以及机械作用结合成一体后共同工作的结构体系。钢与混凝土之间界面的力学行为极为复杂,且对组合结构桥梁的准确分析评估具有重要影响。本文依托浙江省自然科学基金“组合结构桥梁界面行为多尺度分析方法研究”,围绕钢-混组合梁桥界面非连续变形的关键问题,对考虑非连续变形的钢-混凝土组合结构数值模拟进行了深入研究。主要成果如下：(1)采用多折线模型来描述界面正应力-张开位移关系和界面剪切应力-滑移关系,基于通用有限元软件ABAQUS的UEL接口编译了多折线模式无厚度粘聚力界面单元,用一数值算例验证其对结构连接缝起裂扩展该非线性、非连续变形的过程模拟分析的可行性,从解决了钢混组合组合结构结合界面非连续变形模拟的问题。(2)采用多折线粘聚区域模型模拟钢与混凝土之间界面的滑移与张开脱离,建立了组合结构的推出试验三维数值分析模型,对界面间剪切滑移及沿界面法向张开位移分布进行分析,讨论了底部边界对计算结果的影响,得到了剪力连接件的抗剪承载力和抗剪刚度；采用能量原理推导了抗剪连接件的理论刚度并与数值模拟结果和文献中的试验结果进行了对比验证。由此得到了钢混组合结构剪力连接件抗剪刚度的确定方法。(3)针对组合结构使用过程中剪切连接件存在的拉拔状态及剪力连接件的拔出过程混凝土的拉裂与扩展的数值模拟难点,提出了采用基于强化有限元的无厚度CZM单元,以粘聚区域模型描述剪力连接件拔出过程裂纹的开裂与扩展,并建立了钢-混凝土剪力连接件拔出有限元分析模型,分析了拔出过程荷载-位移曲线,并得到了剪力连接件的抗拔承载力和拔出过程的破坏形态。从而实现了对剪力连接键拔出过程中混凝土的拉裂与裂缝扩展等非连续变形的分析模拟。(4)考虑到实际桥梁所受车辆荷载作用一般垂直于混凝土板与钢梁连接界面,为准确分析组合结构桥梁受力性能,特别是弹性工作阶段剪力钉的受力状态,建立了考虑界面间粘聚力和摩擦力的影响组合结构桥梁受力性能分析模型。构建了连续组合箱梁数值分析模型,并分析了剪力钉的受力状态、钢与混凝土界面间滑移量及界面间应力分布。从而提出了考虑材料界面粘结特性对组合梁受力性能影响的分析方法。(5)采用物理区域与单元网格相独立的策略,并引入无厚度界面单元模拟钢与混凝土之间界面的非连续变形,提出了考虑界面滑移的三维强化有限元分析方法。采用该方法对考虑界面非连续变形的组合梁的挠度、界面滑移和截面上下缘纵向应力等进行了分析。算例结果表明本文数值解可以与解析解吻合,从而验证了所编译有限元程序的准确性。所采用的物理区域与单元网格相独立的强化有限元,可以根据物理单元力学描述的需要选择数学单元的大小和形状,一个单元内可以分成多个具有不同材料及不同受力特点的区域,可以大大减少复杂结构的网格数量,提高计算效率。由此建立了适用于考虑界面滑移的组合梁分析的高效计算方法。(6)以港珠澳大桥实际工程为背景,建立有限元分析模型,对大跨度复杂变截面的组合梁桥结构进行分析,实现了考虑界面滑移的三维强化有限元在规模庞大、受力分析繁琐的实际桥梁工程结构中的应用,从而验证了该方法的有效性。
【作者】林建平；
【导师】徐荣桥；汪劲丰；
【作者基本信息】浙江大学，桥梁与隧道工程，2014，博士
【关键词】钢-混凝土组合结构；界面；粘聚区域模型；非连续变形；数值模拟；ABAQUS用户定义单元(UEL)；强化有限元；

【参考文献】
[1]吕晋慧,任磊,李艳锋,王玄,赵夏陆,张春来.不同基因型茶菊对盐胁迫的响应[J].植物生态学报,2013,07:656-664.
[2]李毅.低氧预刺激对大鼠骨髓源性内皮祖细胞生物学活性的影响[D].第四军医大学,内科学,2004,硕士.
[3]刘树桓.航空制造技术发展趋势和对策[J].航空工艺技术.1990(03)
[4]贺亮.阿城信号车间安全管理的评价模型设计[D].吉林大学,工业工程,2014,硕士.
[5]李光玲.大跨径变截面单箱三室波纹钢腹板组合连续箱梁桥剪力滞效应研究[D].长安大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.
[6]袁二明.图的角色分配和域及域近角色分配的研究[D].河北工业大学,应用数学,2004,硕士.
[7]钟卫鸿,吴婉欣,陈雯雯,金晶,邱乐泉,钟莉,吴石金.一株甲醛降解菌的分离鉴定及降解条件研究[J].浙江工业大学学报,2013,01:25-30.
[8]米援军.基于SMTP邮件防火墙的研究[D].重庆大学,2003.
[9]王德进,孙逢玖.满足H_∞和H_2性能的同时镇定控制器参数化[J].控制与决策,1998,05:12-17.
[10]王海姣,刘明光,李宗垒.变电站进线段应用避雷针保护的优势[J].高压电器,2014,02:68-74.
[11]潘博.腹腔镜与开胸Heller手术治疗贲门失弛症的比较[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[12]刘学.多层石墨烯膜层及其纳微米图案化结构[D].吉林大学,高分子化学与物理,2014,硕士.
[13]张琳琳.一朵迷人的恐怖之花[D].河北大学,英语语言文学,2003,硕士.
[14]孙海峰.分布式文件系统数据读写流程分析与优化[D].华中科技大学,计算机系统结构,2013,硕士.
[15]简开宇.实现6σ产品质量的途径和方法[D].西北工业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[16]崔有为,冀思远,卢鹏飞,张宏宇.F/F比对嗜盐污泥以乙酸钠为底物生产PHB能力的影响[J].化工学报.
[17]何建平,金萍.控制系统仿真和分析的一种解析方法[J].冶金自动化,1992,05:39-43+14.
[18]郑晖.多层BaTiO_3/PVDF复合材料制备及介电性能研究[D].北京化工大学,化学工程与技术,2013,硕士.
[19]石春初.基于环境形态与感知特征的建筑设计研究[D].西南交通大学,建筑设计及其理论,2012,硕士.
[20]肖奇军.模糊控制在深海采矿升沉补偿模拟系统中的应用研究[D].广东工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[21]赵亮.公用工程系统能量综合与优化设计方法研究[D].大连理工大学,热能工程,2004,硕士.
[22]耿新青,王正欧.一种挖掘模糊相似关联规则的新方法[J].计算机应用,2005,05:985-988.
[23]陈姣姣.无意识思维与意识思维的偏好反转[D].宁波大学,应用心理学,2014,硕士.
[24]余克龙.变形空间连杆式引纬机构运动弹性动力学分析[D].浙江理工大学,机械电子工程,2014,硕士.
[25]施玲玲.基于数据包络分析的宁波港效率评价研究[D].大连海事大学,交通运输规划与管理,2012,硕士.
[26]周桂成.嵌入式Linux无线传输车载信息平台关键技术研究与开发[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[27]朱帆.浙江上市企业转型及其绩效的实证研究[D].浙江工业大学,2012.
[28]马梦璐.张天翼现代童话的喜剧品质研究[D].沈阳师范大学,中国现当代文学,2014,硕士.
[29]谢睿.精细结构PZT陶瓷阵列的新型凝胶注模成型研究[D].中南大学,材料学,2014,博士.
[30]盛小平,何立阳.知识管理系统研究综述[J].图书馆,2003,01:36-39+57.
[31]葛楠.基于ZY-MSAP155的综合接入系统性能优化研究[D].华东理工大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[32]孙宇.关于A-调和张量的Orlicz范数不等式[D].哈尔滨工业大学,基础数学,2014,硕士.
[33]宋庆元.一种化学数据联机分析的挖掘系统原型设计[J].计算机与现代化,2005,07:35-38.
[34]洪梅.槲皮素对绿豆幼苗生长发育的影响及其耐辐射研究[D].湖南农业大学,作物栽培学与耕作学,2003,硕士.
[35]梁絮颖.基本养老金对城镇居民消费水平的影响分析[D].辽宁大学,社会保障,2012,硕士.
[36]戴世龙.矩阵式PTCR耐电压自动测试系统[D].华中科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[37]李曦.siRNA介导的ClC-3基因沉默对H_2O_2诱导的PC-12细胞凋亡的影响[D].遵义医学院,生理学,2014,硕士.
[38]孙登云.基于移动代理的入侵检测系统的研究与实现[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[39]宋殿毅.何为物流的核心？[N].中国计算机报,2003/02/17D08.
[40]张霞.叙事学与中学语文阅读教学[D].华中师范大学,学科教学论,2003,硕士.
[41]张齐云.沌口污水处理厂水质水量调查与预测[D].武汉理工大学,市政工程,2004,硕士.
[42]巩朋.巴丹吉林沙漠植被动态变化与土壤湿度的遥感研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[43]胡国清.浅析与传统雷击电流流向理论的分歧[J].电工技术杂志.2004(05)
[44]杨磊.基于工业以太网的数控系统实时性问题研究[D].中国科学技术大学,2014.
[45]张海佩.专题肖像系列摄影初探[D].中央美术学院,设计学,2013,硕士.
[46]杨捷.大学生情绪智力、心理韧性与应对方式的关系研究[D].河北大学,发展与教育心理学,2014,硕士.
[47]高英杰.轧机AGC液压系统故障诊断技术的研究[D].燕山大学,2000.
[48]冯璐曼.村镇住宅太阳能采暖及室内给排水系统设计方法[D].西安建筑科技大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[49]张秋晗.我国遗赠扶养协议法律制度研究[D].贵州民族大学,民商法学,2014,硕士.
[50]周锡元.中国建筑结构抗震研究和实践六十年[J].建筑结构,2009,09:1-14.