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1、 ： 破 坏现 象 稍 兀湫 吻 摺带 有附 加钢筋 钢一 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 立 引 言 组合 梁 负 弯矩 区受 力 全过 程 分 析 琈 根 采 用 槽 钢做为 抗 剪 连 接件 的钢 混 凝 土 组合 梁 进行 试 验研 究。随后， 原郑 州 工学 院 、 哈 尔滨 建 筑工 程 学 院 、 清 华大 学 等单 位 陆续 展 开 了 对 弯筋 做为 抗 剪 连 接件 的组合 梁 、 部分 抗 剪 连 接组合 梁 、 连 续 组合 梁 、 压型 钢板 混 凝 土 组合 梁 、 预应力 组合 梁 以及高强 混 凝 土 组合 梁 等方 面的试 验研 究，
2、为 组合 梁 在 国 内 实际 工程 中 应用 奠定 了 坚实的理论 基 础 【。钢一 混 凝 土 组合 柱有钢骨 混 凝 土 柱和 钢管 混 凝 土 柱两 大 类。前 者主 要利 用 混凝 土 对 钢柱的支 持， 防止钢柱丧 失 局部稳 定 性 ， 并能 提 高钢柱的整体刚 度 ， 从而整体表现 出 较大 的承载 能 力 。与 前 者不 同 ， 后者同 时运用 了 钢管 对 混 凝 土 的套 箍 约 束 作用 和 混 凝 土 对 钢管 支 持作用 ， 从 而增强 了 钢管 的稳 定 性 ， 提 高了 混凝 土 的强 度 和 变 形能 力 。钢管 混 凝 土 柱凭借 其卓 越的受 力 性 能
3、和 施工 方 便的特点， 在 我 国 超 高层 建 筑结 构 、 桥 梁 结 构 以及地 下 工 程 结 构 中 已 取 得 了 相 当 广泛的应用 。此外， 国 外学 者还 提 出 了 一 种与 钢管 混 凝 土 柱原理不 尽 相 同 的套 筒 混凝 土 柱， 其仅利 用 钢管 对 混 凝 土 套 箍 约 束 作用 ， 从 而提 高短 柱的延 性 。这 对 组合 概念 又是 一 种灵活 运用 。 国 外对 钢管 混 凝 土 组合 节点研 究现 状 等通 过 对 在 单 调 或 往 复 荷载 作用 下 的圆 钢管 混 凝 土 柱 工 字形钢梁 节点进行 试 验研 究。节点区域 的构 造 为 钢
4、梁 上下 翼 缘 直 接与 钢管 焊接， 并在 钢梁 上翼 缘 上焊接以不 同 形式锚 固于 钢管 内 混 凝 土 中 钢筋 ； 通过 连 接板 将 钢梁 腹 板 与 钢管 连 接。试 验结 果 表明： 布 置 钢筋 可有效将 应力 直 接传 递到核心 混 凝 土 上， 并缓解 翼 缘 的应力 集 中 ， 进而有效地 传 递钢梁 与 钢管 之 间 的作 聂建 国 等通 过 在 进行 相 关试 验研 究的基 础 上做了 理论 推 导 分 析 ，研 究钢筋 与 混 凝 土 的粘 结 滑移和 钢粱与 翼 板 的滑移效应对 组合 梁 负 弯矩 区截 面刚 度 的影 响 。分 析 结 果 表明： 两 种
5、滑移的存 在 增加了 组合 梁 负 弯矩 区的附 加曲率 ， 降 低 了 截 面刚 度 例【】 【】 。 问 题 的提 出 混 凝 土 组合 梁 的多 个细 部构 造 参 数 不 同 的情 况下 ， 不 同 配置 形式的附 加钢筋 对钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区受 力 性 能 的影 响 。 附 加钢筋 对 钢一 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分某 工 程 为 多 层 钢 混 凝 土 组合 框 架结 构 ， 框 架柱采 用 方 钢管 混 凝 土 截 面， 框架梁 采 用 工 字形钢梁 截 面， 设 计 中 主 、 次 梁 均 考 虑 混 凝 土 楼 板 与 工
6、 字形钢梁 的组合 作用 。由于 梁 下 净 空要求 的限 制 ， 为 了 提 高组合 梁 负 弯矩 区的抗 弯承载 能力 ， 在 负 弯矩 区混 凝 土 翼 板 的有效宽度 范围 内 增设 了 附 加钢筋 。设 计 中 方 钢管 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析根 据 实验室 实际 可用 空问 和 试 验设 备 ， 试 件 的主 要尺寸与 实际 工 程 一 致， 工 字钢粱选用 悸 歉 至 河牖炷 烈 戆 宓淖 楹 闲 炷 烈 戆 搴， 板 宽大 于 现行 钢结 构 设计 规范规定 的有效翼 缘 宽剧】 ， 试件 中 与 钢管 混 凝 土柱两
7、 端 相 连 接的组合 梁 悬臂长。混 凝 土 翼 板 中 除 了 按 组合 梁 设 计 要求的纵向 受 力 钢筋 外， 两 个试 件 均 需 按 一 般 楼 板 设 计 要求 在 翼 板 内 配置 相 同 的双层 钢筋 网片【止苣 诤突 炷 烈 戆 宥 冀街 混 凝 土 。方 钢管 和 工 字钢梁 均在 加工 厂用 钢板 焊接而成 。钢梁 端 部加载 点处 截 面布 置 横 向 加劲 肋 ， 方 钢管 内布 置 内 隔 板 。钢梁 与 混 凝 土 之 间 的抗 剪 连 接件 采 用 栓 钉， 并按 完 全剪 力 连 接进两 个试 件 的几 何 尺寸、 钢筋 位 置 及部分 测 点位 置 见
8、图和 图所示。混， 。： ： 。 试 验在 郑 州 大 学 工 学 院 结 构 实验室 进行 ， 加载 方 式为 静 力 单 调 加载 ， 分 别峄 试 验加载 方 案 及试 验过 程试 验加载 过 程 采 用 荷载 控 制 ， 试 验加载 具体步骤 如 下 ：裂 标记开 裂 位 置 ， 并记录 开 裂 荷载 大 小。发 展 咝猿 潭 冉虾时， 每 级荷载 增量 可增加到 。 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 粱负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析 伴 着 混 凝 土 翼 板 开 裂 、 翼 板 内 钢
9、筋 屈 服硬化 ， 组合 梁 端 荷载 位 移曲 线 逐 步呈 非 线 性 变 化 。翼 板 中 附 加钢筋 和 纵向 分 布 钢筋 屈 服后， 钢梁 所受 内 力 进一 步净 截 面积。当 满足上式时， 截 面塑 性 中 和 轴 在 钢梁 的腹 板 内 ， 将 截 面应力 按 合 力 等效的原则进行 分 解 后计 算 得 到 极 限 抗 弯承载 力 ：试 件 极 限 承载 力 的理论 值 和 试 验值 相 对 略 高一 些 。表理论 荷载 与 试 验荷载 比对 表析 可得 以下 两 点。 附 加钢筋 对 钢 泄 凝 士组合 粱负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析 附 加钢筋 对 钢 混
10、凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析沿 组合 梁 轴 线 方 向 的纵向 裂 缝 。由于 这 些 裂 缝 均 出 现 在 组合 梁 进入塑 性 工 作阶段 ， 接近其极 限 承载 力 ， 因 此对 组合 梁 的正 常使用 并不 构 成 直 接影 响 。另 外，由于 混 凝 土 翼 板 内 设 置 了 双 层 横 向 分 布 钢筋 ， 改 善 了 混 凝 土 翼 板 面上沿 组合 梁轴 线 方 向 纵向 裂 缝 的发 展 ， 使配置 不 同 构 造 形式附 加钢筋 对 组合 梁 负 弯矩 区裂缝 分 布 影 响 较小。 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区
11、性 能 影 响 试验分 析同 一 截 面处 纵向 分 布 钢筋 应变 分 布 图对 上图进行 分 析 ， 可得 以下 三 点。 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 试 验分 析下 翼 缘 的受 压作用 ， 使下 翼 缘 更容易出 现 塑 性 屈 曲 现 象 。因 此， 当 采 用 塑 性 设计 方 法 对 钢 混 凝 土 组合 梁 进行 设 计 时， 应对 负 弯矩 区的塑 性 发 展 进行 适 当 限 制 ，不 宜 过 多 考 虑 塑 性 内 力 的调 幅。 带 有附 加钢筋 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 立带 有附 加钢筋 钢
12、一 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 其中 盯 涂 是 构 件 某 一 点的三 个主 应力 。模 型 和 弥 散 开 裂 模 型 两种本 构 关系】 。损 伤 塑 性 模 型 假 定 混 凝 土 材 料 主 要由于 拉 伸开 裂 和 压缩 破 碎 两 种原因 而发 自 定 义的非 线 性 应变 数 据 自 动 完 成 。因 此，图混 凝 土 材 料 单 轴 应力 应变 关系通 过 疡 和 以两 个损 伤 变 量 ， 该模 型 可表示混 凝 土 材 料 弹性 模 量 的损 伤 。即 带 有附 加钢筋 钢 混 凝 士组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 立然 后， 通
13、过 损 伤 弹性 方 程 ， 可表示三 维多 轴 应力 状态 下 的应力 一 应变 关系，弥 散 开 裂 模 型 ， 采 用 各向 同 性 硬化 屈 服面和 独立 的裂 纹 探测 面， 在 材 料 主 相 互 独立 的， 而现 实中 作为 两 者共 同 工 作的基 础 粘 结 ， 则是 通 过 在 混 凝 土 般 需 要对 部件 进行 剖 分 ， 形成 形状规整的多 个空间 区域 。本 文 模 型 ， 首 先 根 据 各个部件 的变 形能 力 ， 通 过 布 置 全局种子 确定 各个部件 的总体网格尺寸； 然 后通 过 在 钢梁 翼 缘 厚度 方 向 上布 置 局部种子 ， 以保 证 钢梁 翼
14、 缘 的网格密 度 能 够体现 应力 在 厚度 方 向 上的变 化 。开 孔 了 的内 隔 板 和 核心混 凝 土 网格划分 采 用 扫 掠 划分 算 法 ， 其余各个部件 均 采 用 结 构 化 划分 算 法 。生成 的有限 元网格如 图、 图所示。 幽 有限 元 网格局部模 型 幽组合 梁 悬挑 端 为 自 由端 ： 分 析 时即 在 梁 悬挑 端 垂直 向 下 以位 移形式对 称 施加静力 荷载 ， 使在 组合 粱上形成 负 弯矩 区。 带 有附 加钢筋 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 立经 上所述 处 理后的有限 元 模 型 ， 收 敛 性 良好 。有限 元
15、 模 型 正 确性 验证组合 梁 在 单 调 静 力 作用 下 的荷载 一 位 移曲 线 带 有附 加钢筋 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区有限 元 模 型 建 立 匝 橛胗 邢 拊 7治龊稍 豍啦移关系对 比 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析并分 析 配置 形式不 同 的附 加钢筋 对 开 裂 荷载 的影 响 ； 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组台粱负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析混 凝 土 翼 板 内 力 分 布 情 况 ： 女 耵 材 匏苄 情 况， 其值 越督鴁塑 性 巍 弈 磕 吭 匠 型 性 发 展 程 度
16、越高。大 等效塑 性 应变 同 ， 但外加荷载 较大 及塑 性 发 展 程 度 较高， 因 此试 件 的翼 板 混 凝 土 还 是睢 泶 蛭 灰啤 时 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析 警 附 加钢筋 对 钢一 混 凝 土 组合 粱负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析 一 根 纵向 分 布 钢筋 中 点叶 近。方 混 凝 土 翼 板 拉 应力 较大 。随着 荷载 增大 。混 凝 土 开 裂 而推 出 工 作， 负 弯矩 主图纵向 分 布 钢筋 应力 分 布 图 组合 梁 负 弯矩 区受 力 全过 程 分 析随着 外加荷载 逐 渐 变
17、 大 ， 、 、 三 个试 件 先 后进入塑 性 工作阶 段 ， 由于 混 凝 土 翼 板 处 于 受 拉 区， 认 为 混 凝 土 退出 工 作， 此时翼 板 的内 力全部由钢筋 承担 ， 组合 梁 负 弯矩 区抗 弯刚 度 此时退化 不 明显。由于 试 件中 未 设置 附 加钢筋 ， 此时纵向 分 布 钢筋 拉 应力 总体上较大 。翼 板 中 钢筋 进入塑性 阶 段 前， 钢梁 下 翼 缘 首 先 屈 服， 截 面中 和 轴下 移， 组合 梁 负 弯矩 区抗 弯刚 度退化 开 始 明显， 由此组合 梁 进入弹塑 性 工 作阶 段 。钢梁 下 翼 缘 出 现 塑 性 区域 后，试 件 中 纵
18、向 分 布 钢筋 很 快 屈 服， 组合 梁 刚 度 进一 步加快 退化 ， 其表现 出 来极 限 抗 弯承载 力 和 变 形能 力 较小。而在 混 凝 土 翼 板 中 设 置 有附 加钢筋 的试 件 和 试 件 ， 钢梁 下 翼 缘 出 现 塑 性 区域 之 后， 组合 梁 端 竖 向 位 移分 别 增 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析程 ： 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析珊啪伽
19、伽工 作后， 按 材 料 力 学 理论 分 析 ， 附 加钢筋 处 的拉 应力 与 钢梁 上翼 缘 相 比较大 ，但由于 该处 沿 组合 梁 轴 向 方 向 刚 度 较小， 连 接有套 筒 的方 钢管 柱壁沿 组合 梁 轴向 方 向 存 在 较大 变 形， 翼 板 中 钢筋 与 钢梁 组成 的截 面在 负 弯矩 区不 再 符合 平截面假 定 ， 与 相 比， 在 相 同 负 弯矩 作用 下 同 一 截 面处 的同 一 根 附 加钢筋 拉应力 较小， 如图所示。甁 翼 板 出 现 塑 性 区域 匆 戆 蹇 A时的外加集 中 荷载 、 梁 端 位 移以及翼 板 最 大 据 前 章节已 得 到 的初
20、步结 论 ， 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区的受 力 性 能 很 大 程度 上取 决 于 钢梁 和 混 凝 土 翼 板 中 配置 的钢筋 。钢筋 截 面积大 小直 接影 响 混 凝 土退出 工 作之 后钢梁 和 钢筋 组成 的截 面的中 性 轴 位 置 ， 在 满足平截 面假 定 的条 件下 ， 进而影 响 钢梁 和 钢筋 进入塑 性 阶 段 的先 后顺 序， 反 映在 钢 混 凝 土 组合 梁 负弯矩 区整体受 力 性 能 上， 可能 引 起 不 同 的刚 度 退化 规律 和 抗 弯承载 力 。本 小节在 不 改 变 混 凝 土 翼 板 厚和 宽度 的情 况下 ， 通 过 调 整纵向
21、 分 布 钢筋 直 径， 改 变 翼板 中 纵向 分 布 钢筋 的配筋 率 ， 或 改 变 反 映纵向 钢筋 配置 情 况的另 一 参 数 力比， 进而分 析 在 翼 板 中 纵向 分 布 钢筋 不 同 配筋 率 的工 况下 ， 两 种附 加钢筋 连 接形式对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区受 力 性 能 的影 响 程 度 大 小。 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析筋 率 的模 型 翼 板 开 裂 荷载 分 别 提 高了 ， ， ， ， ： 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性
22、 能 影 响 有限 元 分 析负 弯矩 区增设 的附 加钢筋 可提 高其承载 力 和 变 形能 力 ， 但对 承载 力 的提 高幅度。竖 向 变 形痳 。， 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析至露晕。竖 向 变 形以岛精 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析中 混 凝 土 翼 板 中 附 加钢筋 的直 径均 能 提 高混 凝 土 首 次 出 现 塑 性 区域 时的外加荷荷载 位 移关系对 比图进行 分 析 ， 可知以下 几 点： 多 种条 件 下 附 加钢筋
23、 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析。竖 向 变 形， 多 种条 件 下 附 加钢筋 对 钢 混 凝 土 组合 梁 负 弯矩 区性 能 影 响 有限 元 分 析小结板 的位 置 对 在 负 弯矩 区通 过 套 筒 设 置 附 加钢筋 的组合 梁 的受 力 性 能 存 在 较大 影响 。在 和 试 件 中 ， 由于 在 方 钢管 内 与 套 筒 对 应的位 置 设 置 内 隔 板 ，柱两 端 附 加钢筋 的拉 应力 传 力 直 接， 增加了 梁 柱连 接节点区域 的刚 度 。而在试 件 中 ， 在 与 钢梁 上翼 缘 对 应的位 置 多 设 置 了 一 块
24、 内 隔 板 ， 在 考 虑 组合 梁负 弯矩 区抗 弯承载 力 方 面， 该构 造 的影 响 不 大 。 均 匀 缓慢 ， 提 高了 该区域 的变 形能 力 ；凝 土 翼 板 受 力 更为 合 理；翼 板 混 凝 土 的开 裂 荷载 ， 且 通 过 套 筒 与 方 钢管 柱连 接的附 加钢筋 较为 有效； 凝 土 结 构 设计 规范中 规定 的材 料 设计 值 进行 计 算 ；规定 的钢 混 凝 土 组合 梁 正 弯矩 区的有效宽度 计 算 方 法 进行 计 算 的， 然 而在 负 弯矩 区该公 式是 否 适 用 尚待研 究； 【坷 钐 欤楹 辖峁 股 杓 圃 怼 綧 】 郑 州 ： 郑 州
25、 大 学 出 版社 ， 亢 趾止芑 炷 峁 埂綧 】 北京： 科 学 出 版版， 技 大 学 学 报 个人简 历、 在 校期间 学 术成 果 开 始 论 文 的选题 、 相 关文 献 的检 索 ， 到 试 验方 案 的制 定 、 有限 元 模 型 的建 立 以及最 后论 文的撰写 与 修 改 ， 整个过 程 无 处 不 浸 透着 导 师的心 血 与 汗水 ， 在 此谨向 敬 爱 的恩师表示最 诚 挚 的感谢和 最 崇 高的敬 意 。师从 李 天教 授 三 年， 他 给 予了 我 生活 上和 学 习 上无 微 不 至 的关心 ， 不 但使我 的专 业知识得 到 提 升， 专 业眼光 得 到 拓展 ， 更重 要的是 ， 恩师严 谨 踏实的治学 作风 、 孜 孜 不 倦 的执 着 精 神 ，让 我 终身受 益 。