新型预应力外包钢组合梁抗弯性能的研究

论文摘要

预应力外包钢-混凝土组合梁是在外包钢-混凝土组合梁的基础上发展起来的一种新型外包钢组合梁,具有用钢量省、稳定性好、刚度大、承载力高、截面开裂弯矩高、弹性工作范围大和能充分利用组合材料力学性能等优点,对其进行研究具有重要的理论意义和实用价值。本文通过模型试验和理论分析了预应力外包钢-混凝土组合简支和连续梁的抗弯受力性能。通过对三根2m长的预应力外包钢钢筋混凝土组合简支梁和两根6m长预应力外包钢钢筋混凝土组合连续梁的静载载荷试验和有限元数值仿真分析及理论分析,深入地探讨了预应力外包钢钢筋混凝土组合梁在预应力及各级荷载作用下抗弯力学性能。在试验中,实测了试件在预应力及各级荷载作用下控制截面的应变、裂缝宽度、挠度、承载力和各组合材料的力学性质,分析了其抗弯承载特性,为其有限元数值仿真模拟和理论研究奠定了物质基础。在预应力筋与构件耦合相互作用方面,通过对预应力对结构作用机理的研究,提出了直接内载法计算预应力内荷载；根据内荷载的特点,给出了预应力摩擦应力损失方程,证明了预应力内荷载的自平衡性,说明了等效荷载法是直接内在法的特例,确定结构在预应力作用下的主内力解析表达式,并根据曲线预应力筋线型特点,提出应用三次样条插值函数为预应力筋线型函数；根据预应力外包钢组合梁的工作特点,建立了预应力外包钢钢筋混凝土组合梁有限元数值仿真分析模型,进行了静荷载作用下结构抗弯全过程仿真分析；在有限元模型建立过程中,提出应用层状界面单元模拟外包钢板与钢筋混凝土梁之间的粘结滑移力学行为,并确定了层状界面单元等效节点刚度,实现了利用ANSYSY有限元程序模拟分析外包钢板与混凝土之间的粘结滑移；在有限元分析过程中,依据直接内载法,把预应力内荷载直接施加在结构上,分析了预应力与结构的相互作用；其数值结果和实测结果具有一致性。根据外包钢组合梁微单元截面内力平衡,建立了分离式外包钢板和钢筋混凝土梁粘结滑移理论分析模型,确定了外包钢板与钢筋混凝土梁年节滑移方程。理论计算结果与实测及数值结果基本一致。依据实测和数值分析结果,采用变形协调原理和试算法,给出了其粘结滑移的解析方程和其抗弯承载各阶段截面抗弯解析方程,其结果和实测及数值结果基本吻合,说明了理论分析的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 组合结构的特点
• 1.1.2 组合结构在工程中的应用
• 1.2 组合梁新技术的发展和国内外研究现状
• 1.2.1 新结构形式的提出和新技术的应用
• 1.2.2 新型外包钢组合结构研究
• 1.2.3 预应力钢—混凝土组合研究与发展
• 1.3 新型外包钢组合梁结构和预应力组合梁的研究方法
• 1.4 课题的提出及其研究的意义
• 1.4.1 组合梁新结构形式的提出
• 1.4.2 本课题研究的意义和研究目的
• 1.5 主要研究内容、方法和技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 第二章 新型预应力外包钢组合梁抗弯性能试验研究
• 2.1 试验研究的目的及内容
• 2.2 试件的设计和制作
• 2.2.1 试件的设计
• 2.2.2 试件的制作
• 2.3 预应力外包钢简支梁试验研究
• 2.3.1 试验梁的试验目的及试验测试内容
• 2.3.2 试验方案和设备的布置
• 2.3.3 试验现象及破坏特征
• 2.3.4 试验测试的结果分析
• 2.4 预应力外包钢连续组合梁试验研究
• 2.4.1 试验梁的试验目的及试验测试内容
• 2.4.2 试验方案和设备的布置
• 2.4.3 试验现象及破坏特征
• 2.4.4 试验测试的结果分析
• 2.5 外包钢板粘结滑移试验研究
• 2.5.1 试验目的和测试内容
• 2.5.2 试验测试的结果
• 2.5.3 试验的结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 预应力内荷载的直接内载法研究
• 3.1 预应力筋与结构相互作用研究的状况
• 3.1.1 等效荷载法的研究现状
• 3.2 预应力内荷载的直接内载法的建立
• 3.2.1 内载法的基本原理
• 3.2.2 直接内载法基本公式
• 3.2.3 不同线型函数的预应力内荷载
• 3.4 预应力筋与混凝土接触的摩擦应力损失方程建立
• 3.5 预应力内荷载自平衡性证明
• 3.5.1 预应力内荷载端部锚固力
• 3.5.2 水平方向预应力筋反弹力内荷载的合力
• 3.5.3 横向（y方向）预应力筋反弹力内荷载的合力
• 3.5.4 单元预应力内荷载总弯矩
• 3.6 预应力筋线型的选择
• 3.6.1 布筋曲线函数的确立
• 3.6.2 曲线反弯点C平面位置确定
• 3.7 预应力作用下截面内力计算
• 3.8 试件预应力筋线型函数的确定和预应力内荷载计算
• 3.9 本章小结
• 第四章 新型预应力外包钢组合梁材料本构关系
• 4.1 概述
• 4.2 混凝土材料的本构关系和破坏准则
• 4.2.1 单轴应力状态下混凝土的应力应变
• 4.2.2 混凝土材料的本构关系基本理论
• 4.2.3 混凝土材料的破坏准则
• 4.3 钢材的力学性质
• 4.4 钢材与混凝土粘结与滑移本构关系
• 4.4.1 外包钢板与混凝土粘结滑移的研究
• 4.4.2 外包钢板与混凝土粘结滑移的本构关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 有限元数值仿真模型建立及数值分析
• 5.1 概述
• 5.2 预应力外包钢组合梁单元离散
• 5.2.1 混凝土单元类型的确定
• 5.2.2 外包钢板单元类型的确定
• 5.2.3 钢筋和预应力筋单元的选择
• 5.3 外包钢板与混凝土界面粘结滑移单元的建立
• 5.3.1 界面粘结滑移单元建立的基本原理
• 5.3.2 矩形层状界面滑移单元节点抗滑移等效刚度建立
• 5.3.3 Combin39单元节点非线性弹簧单元实常数的确定
• 5.4 预应力外包钢组合梁单元材料力学性能的确定
• 5.4.1 混凝土材料本构模型的确定
• 5.4.2 混凝土材料开裂分析模型的确定
• 5.4.3 SOLID65混凝土屈服及失效准则
• 5.4.4 钢材的力学模型
• 5.5 预应力荷载的处理及非线性分析
• 5.5.1 预应力内荷载
• 5.5.2 边界约束和加载方式
• 5.5.3 预应力外包钢组合梁非线性分析方法
• 5.6 数值与试验对比
• 5.6.1 试件有限元分析模型的建立及求解
• 5.6.2 组合梁试件仿真分析结果
• 5.7 结论
• 第六章 外包钢与钢筋混凝土梁粘结滑移机理分析
• 6.1 外包钢与钢筋混凝土梁粘结滑移理论研究现状
• 6.2 外包钢钢梁与钢筋混凝土梁粘结滑移理论分析的基本假定
• 6.3 外包钢钢梁与钢筋混凝土梁粘结滑移平衡方程的建立
• 6.4 外包钢钢梁与钢筋混凝土梁粘结滑移解析方程的建立
• 6.5 理论计算结果与实测及数值结果对比分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 新型预应力外包钢组合梁抗弯性能理论分析
• 7.1 概述
• 7.2 预应力外包钢组合梁截面抵抗内力的组成及结构分析方法
• 7.2.1 截面抵抗内力的组成
• 7.2.2 预应力外包钢组合梁次生弯矩的计算
• 7.2.3 预应力外包钢组合梁结构分析方法
• 7.3 组合梁弹性工作阶段截面抗弯性能
• 7.3.1 预应力作用阶段组合梁截面抗弯性能
• 7.3.2 试件外荷载作用下的弹性工作状态抗弯性能
• 7.4 组合梁截面正弯矩作用下的抗弯性能
• 7.4.1 正弯矩区正弯矩作用下外包钢板屈服时弯矩的确定
• 7.4.2 正弯矩区极限抗弯承载力的确定
• 7.5 组合梁截面负弯矩作用下的抗弯性能
• 7.5.1 预应力外包钢组合连续梁负弯矩区正截面屈服弯矩
• 7.5.2 负弯矩作用下截面极限抵抗弯矩的确定
• 7.6 对比分析
• 7.7 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文研究的主要结论
• 8.2 研究的前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论著及参与的科研活动
• 发表的论文
• 参与的科研活动
• 作者从事科学研究和学习经历的简历