钢—混凝土组合桁架梁抗弯性能研究

【摘要】钢-混凝土组合桁架梁是由钢桁架与混凝土板组合而成的受弯构件，这种组合梁具有优越的空间利用性能和显著的工程经济效益。钢-混凝土组合桁架梁目前在我国的研究还处于起步阶段，相关的理论和试验研究尚欠不足，尤其是缺乏适合我国工程设计需要的组合桁架结构承载性能及设计方法的研究。由于钢-混凝土组合桁架梁类型多样，受力性能亦较复杂，论文选取结构形式相对典型，在我国部分地区已开始初步使用的圆钢管组合桁架梁为研究对象，通过试验研究、有限元数值模拟、参数分析以及理论推导，研究钢-混凝土组合桁架梁的抗弯承载性能及其影响因素。论文首先采用试验方法研究了钢-混凝土组合桁架梁的抗弯承载能力。设计了4根编号为CB1、CB2a、CB2b和CB3的钢-混凝土组合桁架梁试件进行抗弯试验，详细介绍了试件单调加载静力试验的全过程情况，包括组合梁的破坏形态、变形性能、控制截面应变、滑移等。以CB2b试件为例，分析了混凝土受压翼缘板的应变及应力分布、荷载-挠度曲线以及抗弯极限承载力的变化特点。试验结果表明：钢-混凝土组合桁架梁的整个截面应变基本符合平截面假定；钢-混凝土组合梁的混凝土受压翼缘存在较明显的剪力滞后效应；钢-混凝土组合桁架梁具有较高的受弯承载能力和一定的延性性能。在试验研究的基础上，论文以4个试件为例分别建立了符合工程实际的钢-混凝土组合桁架梁的有限元模型。通过计算分析，了解了组合桁架梁的应力变化特点、组合梁的荷载-位移关系、荷载-滑移关系以及组合桁架梁的极限承载力，并与试验结果进行了对比。分析表明：从弹性刚度来看，4个试件有限元计算的弹性刚度均大于试验弹性刚度；从承载力来看，有限元得到的构件极限承载力与试验结果较接近，变形性能与试验结果基本吻合。为了便于设计应用，论文对钢-混凝土组合桁架梁受压混凝土翼板的有效宽度进行了大量的计算分析，并将分析结果与我国现行钢结构设计规范有关组合梁有效宽度的规定做了比较。论文对上述4个组合桁架梁试件混凝土翼板的应力分布情况分析表明：组合桁架梁在荷载作用下，随着作用荷载的增加，有效宽度系数变化较为复杂，但总体上呈增大的趋势。当其他条件不变时，组合梁的宽跨比（b/l）越大，有效宽度系数e越小。增大组合梁混凝土翼板宽度时，混凝土板上的应力分布不均匀程度会增大，剪力滞后效应加剧。因此，设计计算时应适当限制组合梁的宽跨比（b/l），使混凝土翼板充分发挥承载能力。设计计算时，如对梁的宽跨比不加区分，完全按照钢结构设计规范的规定取值，则有可能高估宽跨比较小的组合梁的极限承载力，导致偏于不安全的结果。在极限承载力状态下，组合桁架梁有效宽度的计算结果不低于现行钢结构规范的取值，对于不同高跨比的钢-混凝土组合桁架梁，设计计算时，可以完全按照钢结构设计规范的规定取值，计算组合梁的极限承载力。为了便于设计应用，论文最后还给出了便于工程应用的有效宽度简化计算公式。论文对组合梁的混凝土板厚度和宽度、腹杆截面尺寸、桁架梁上弦托板宽度以及栓钉抗剪连接程度等参数进行了分析，研究这些设计参数对组合桁架梁抗弯性能的影响特点。研究表明：当其他参数不变时，组合梁腹杆截面径厚比增加时，组合梁的初期刚度、后期刚度以及极限承载力均无明显变化。因此设计时适当考虑采用较厚且较宽阔的混凝土翼板，既可以提高组合梁承载力又能改善组合梁的变形性能。另外，上弦托板的宽度和栓钉抗剪连接程度都会在一定范围内提高组合梁的承载能力。为能从理论上更好地把握组合桁架梁的抗弯性能，论文推导了钢-混凝土组合桁架梁受弯承载力理论分析的基本假定和计算公式，总结组合桁架梁极限承载力的实用计算方法并与试验研究和有限元分析得到的数据结果进行了对比。研究表明：对于部分抗剪连接的桁架组合梁（CB1），有限元计算值和理论值几乎一致，而试验值比理论值偏小5%。对于完全抗剪连接的桁架组合梁（CB2a、CB2b和CB3），试验值比理论值平均偏大7%，有限元计算值比理论值偏大约19%。可见设计时采用理论推导的实用公式是偏于安全的。论文提出了一种新型双钉头型栓钉剪力连接件形式，并进行了推出试验有限元模拟分析，在此基础上讨论了影响新型栓钉连接件抗剪承载力的主要因素，并结合有关规范公式提出了设计建议，最后还分析了采用新型栓钉的钢-混凝土组合桁架梁的抗弯承载力。研究表明：当其他参数不变时，采用新型栓钉的组合梁极限承载力明显提高，后期刚度有所提高，变形能力显著增强。
【作者】汪洋；
【导师】李天；
【作者基本信息】郑州大学，防灾减灾工程及防护工程，2014，博士
【关键词】钢-混凝土组合桁架梁；受弯；极限承载力；试验研究；有限元分析；有效宽度；设计方法；双钉头型栓钉剪力连接件；

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