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钢箱—混凝土组合梁结构行为试验研究与分析

莫时旭  
【摘要】: 钢箱-混凝土组合梁由钢箱梁和其中部分充填的混凝土构成。由于梁的受压和受剪区段钢箱壁的内屈受到混凝土限制,结构局部屈曲强度大大提高,可更大限度地利用钢材强度;而混凝土主要充填在梁的受压区,又受钢箱壁约束,力学性能得到改善,也更能充分发挥其抗压性能好的长处。因而,钢箱-混凝土组合梁同样具有传统组合梁强度高、刚度大、延性好、施工方便等优点。受国家自然科学基金资助,湖南科技大学土木工程学院进行“钢箱-混凝土梁局部屈曲研究”,受湖南省自然科学基金资助,进行了“新型组合截面梁研究”,受湖南省教育厅科学基金资助,进行了“钢箱-混凝土连续梁结构行为研究”,这些课题的主要研究内容包括:(1)钢箱-混凝土组合梁结构行为试验研究;(2)钢箱-混凝土组合梁顶板局部屈曲计算模型;(3)钢箱-混凝土组合梁腹板局部屈曲强度;(4)钢箱-混凝土组合梁顶板与腹板相关屈曲、局部屈曲与组合梁承载能力的相关关系。 作为课题的组成部分,笔者在博士论文中主要进行了以下几个方面的工作: (1)钢箱-混凝土简支梁受力性能试验研究笔者进行了4根钢箱-混凝土简支梁和2根空钢箱梁的静载试验,详细观察了试验过程中发生的现象,记录了试验梁在整个受载过程中的变形和钢箱的形变数据。试验研究表明,钢箱受压区充填混凝土后,改变了钢板的屈曲模式和屈曲后性能,提高了钢箱组成钢板抗压、面内抗弯和抗剪屈曲强度,使钢箱-混凝土组合梁具有较高的承载能力和良好的延性;钢箱顶板的宽厚比和腹板的高厚比直接影响钢箱-混凝土组合梁的受力性能。(2)钢箱-混凝土局部屈曲行为研究笔者用里兹能量方法建立了刚性基底上沿非加载边弹性约束、面内受压矩形板屈曲强度计算公式,考虑核心混凝土和钢箱腹板的约束作用,确定顶板非加载边的弹性约束刚度,将推导的计算公式用于钢箱-混凝土受压顶板和弯曲受压区腹板局部屈曲强度计算,据此确定顶板和腹板的设计宽厚比限值。 (3)钢箱-混凝土梁弹塑性分析研究笔者对钢箱-混凝土组合梁进行弹性分析,提出刚度、弹性强度极限的计算方法;然后对钢箱-混凝土组合梁的受力全过程进行弹塑性分析,提出钢箱-混凝土组合梁极限强度计算公式:利用有限单元法对钢箱-混凝土组合梁空间有限元分析。 (4)钢箱-混凝土梁受剪性能试验研究笔者进行了钢箱-混凝土组合梁的抗剪性能的试验研究。完成了6根钢箱-混凝土简支梁在分配梁施加的两个集中力作用下受剪破坏的全过程。试验研究表明,钢箱受压区充填混凝土后,腹板没有明显局部屈曲,试验梁的受剪破坏由没有充填混凝土的下箱室腹板屈曲引起。 (5)钢箱-混凝土连续梁结构性能试验研究分析完成了2根两跨钢箱-混凝土连续梁用分配梁在跨中施加的两个集中力作用下直到破坏的全过程试验,还进行了一根空钢箱连续梁的对比试验。试验研究表明,钢箱受压区充填混凝土后,提高了中支座截面底板抗压屈曲强度和腹板抗剪屈曲强度,明显改善了连续梁中支座负弯矩区工作性能,使钢箱-混凝土连续梁具有较高的承载能力和延性。 (6)钢箱-混凝土结构设计与应用初探提出了钢箱-混凝土组合梁的主要设计参数,然后对其在连续梁桥和斜拉桥中的应用提出初步构想。


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