波形钢--混凝土组合桥面板受力性能研究硕士论文

单位代码： 学 号： 1 0 3 5 9 2 0 1 3 11 0 8 3 0分类号：堕丝 夺肥三于大警 H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 硕士学位论文 M A S T E R ，SD I S S E R T A T I O N 论文题目：选形塑：遇缝组金楹亘题量左丝篚盟宜 学位类别：堂匝亟 专业名称：楹梁生隧道工程 作者姓名：郭敛 导师姓名：任佳堑数援 完成时间：2 Q ! 鱼生垒目 万方数据 合肥 工业大学 学历硕士学位论文 吣Y 31 呲0 咎2 料5 删4 3 “ 波形钢混凝土组合桥面板受力性能研究 2 0 16 年4 月 万方数据 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e df o rt h eD e g r e eo fM a s t e r M e c h a n i c a lP e r f o r m a n c eo fC o r r u g a t e dS t e e lP l a t ea n d C o n c r e t eC o m p o s i t eS t r u c t u r eB r i d g eD e c k B y G u oM i n H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y H e f e i ，A n h u i ，R R C h i n a A p r i l ，2 0 1 6 万方数据 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称、姓名) 主席：( 专家工作单位、职称、姓名) 安徽省交通控股集团有限公司教授级高工 委员： 合肥工业大学教授 合肥工业大学教授 砂蚴 缎微 书啊 f 1一、J 1 遍伊， 矜咙岫 教 教 拳 恺 恃 学 大 大 朔 好 协 合 万方数据 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文巾不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金筵互些太堂 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体， 本人已在论文中作了睨确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学位论文作者签名： 旁盂 签名日期：勃f 年( f 月z fE t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥罂王些太堂 有关保窝、使用学位论文的规定， 即：除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥腥薹些态堂 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库允许采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：勺缸 签名目期：纠年够月乙lE t 论文作者毕业去向：弄最 工作单位： 联系电话：l 弓烫暑B 飞回8 通讯地址： 指导教师签名： 签名目期：纠l E l l l ai1 ： 邮政编码： 年够月叫E t 万方数据 致谢 首先衷心感谢我的导师任伟新教授三年以来对我学业的谆谆教诲与悉心指 导，恩师前沿而深厚的学术造诣、严谨求实的治学风范深受学生敬仰，也深深影 响了我的求学生涯。在读研期间，我面临学习、生活、家庭的诸多压力，常难以 平衡，老师总会第一时间给予我莫大的帮助与鼓励，帮助我克服重重困难，使我 能静心且顺利的完成学业。在论文写作期间，老师于繁忙的工作期间仍亲自指导 我的分析思路，悉心指正，精益求精，拓宽了我的学术视野，在此再次向恩师表 示由衷的敬意及感谢，祝您身体健康，工作顺利! 特别感谢课题组的张静副教授对我论文的指导与帮助。 感谢韩州斌、高翔宇、杨洋、王孟洋、孙若晗、李侠六位同学，感谢你们三 年来对我学习以及生活上的帮助，我们之问良好的氛围伴着我三年的求学生涯， 倍感幸运，愿大家前程似锦，我们友谊长存。感谢阳霞博士、袁平平博士、师弟 沈阳、温强等对我学习及生活上的帮助，愿你们学业有成。 感恩我的父母，2 8 年来对我最无私的爱与支持，在任何时候都是我最坚强的 后盾，时光荏苒，我己成家生子，以后的岁月里我将长伴你们左右，告白心底最 深处的爱。 感谢我的丈夫何立翔，给了我1 0 年美满而令人进步的爱情，岁月静好，愿我 们的湘遇宝贝茁壮成长，我们的家庭幸福阳光。 感谢评阅本论文的专家教授在百忙之中给予我的指导，致谢! 郭敏 2 0 1 6 年4 月1 2 日于纬地楼 万方数据 摘要 近年来，公路运输的超载形势日趋严峻，公路桥梁使用寿命降低，桥面板的 损害较为严重。为克服传统的钢筋混凝土桥面板抗剪能力的不足，在钢混凝土组 合正交异性桥面板的基础上，引入了一种新型的以波形钢作为混凝土底板的桥面 板结构一波形钢混凝土组合桥面板。本文以安徽省淮南孔李淮河大桥右汊航道桥 为工程背景，对该类波形钢混凝土组合桥面板的受力性能及影响参数进行了分析， 不仅可为工程设计提供参考，也可为波形钢混凝土组合桥面板的运营养护提供帮 助，可为工程设计提供参考。 论文的主要研究内容和结论包括： 1 建立全桥整体模型，分析比较不同载荷组合作用下桥梁的静力行为，得出 二期恒载和满载作用下中跨跨中为本桥纵横梁正弯矩最大的位置，即作为本文分 析桥面板时的最不利位置。 2 采用子模型法建立了桥面板局部板段模型，计入混凝土、波形板及钢筋的 材料非线性，考虑混凝土与波形板之间的接触非线性，对波形钢混凝土组合桥面 板的受力性能进行分析。结果表明，波形钢折板能够显著提高桥面板的抗弯承载 力及刚度。分析过程中未出现构件的剪切破坏，波形钢折板与混凝土板之间相对 滑移量较小，两者协同工作性能较好。但混凝土和波形钢折板之间的法向接触行 为较不均匀，甚至在波形钢折板腹板的位置会出现两种材料的剥离现象。 3 分析了波形钢混凝土组合桥面板的各设计参数对桥面板极限承载力的影 响，得到了混凝土等级、波形钢折板厚度、波形钢折板强度等参数与承载力之间 的关系，可为工程设计提供参考。 4 分析了收缩徐变以及整体温度作用下桥面板的受力状态，得出了混凝土桥 面板、波形钢折板以及纵横梁中由收缩徐变引起的应力不断增长。随着混凝土强 度的提高，收缩徐变和徐变系数逐渐减小，各构件由收缩徐变引起的内力则逐渐 降低；在温度变化时两者不协调变形导致温度应力的产生。 关键词：波形钢折板；组合桥面板；有限元模型：子模型法；收缩徐变 I I 万方数据 A B S T R A C T N o w a d a y s ，t h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o no v e r l o a d i n gp r o b l e mi ss e r i o u s I tC a nc a u s e b r i d g es e r v i c el i f er e d u c e m e n t ，e s p e c i a l l yt h eb r i d g ed e c k sd a m a g e T oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n go fs h e a rc a p a c i t yo ft h et r a d i t i o n a lt y p eo fb r i d g ed e c k s ，an e ws t r u c t u r e f o r m e db yc o r r u g a t e ds t e e lp l a t ea n dc o n c r e t e c o m p o s i t es t r u c t u r eb r i d g ed e c k si s i n t r o d u c e d O nt h eb a s i so ft h eo r t h o t r o p i cs t e e lb r i d g ed e c k s ，i tt a k e sc o r r u g a t e ds t e e l a st h eb a s e p l a t eo ft h ec o n c r e t e T a k i n gt h eH u a iN a n K o n gL iH u a iH eB r i d g ei nA n h u i P r o v i n c ea st h er e a le x a m p l e ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dc a r r i e d o u tt h ep a r a m e t e rs t u d i e so nt h eb r i d g ed e c k sw i t hc o r r u g a t e ds t e e lp l a t e T h eo u t c o m e s a r eo fh e l p st ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n ds e r v i c em a i n t e n a n c ef o rs u c ha b r i d g ed e c k T h et h e s i sc o n t a i n sf o u rm a i n p a r t sa sf o l l o w s ： 1 T h eo v e r a l lm o d e lo ft h et h eH u a iN a n K o n gL iH u a iH eB r i d g et oa n a l y z et h e s t a t i cf o r c eu n d e rd i f f e r e n tl o a dc o m b i n a t i o n si sb u i l tf t r s t ，i tc o m e st o 也e c o n c l u s i o nt h a tt h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n tO C C u r Si nt h em i d d l eo ft h em i d s p a n u n d e rt h es e c o n d a r yp e r m a n e n tl o a da n df u l ll o a dc o m b i n a t i o n 2 T h ep a r t i a lm o d e li sb u i l tt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dt h ee f f e c tO nt h e b r i d g ed e c k sw i t hc o r r u g a t e ds t e e lp l a t eu s i n gt h es u b m o d e l i n gm e t h o dc o n s i d e r i n g t h em a t e r i a ln o n l i n e a r i t yo fc o n c r e t e ，c o r r u g a t e ds t e e lp l a t ea n dr e b a r , t h ec o n t a c t n o n l i n e a r i t yb e t w e e nc o n c r e t ea n dc o r r u g a t e ds t e e lp l a t e R e s u l t ss h o wt h a t c o r r u g a t e ds t e e lp l a t eC a ng r e a t l yi m p r o v et h e f l e x u r a lc a p a c i t ya n ds t i f f n e s s ，t h e l a t e r a ld i s t r i b u t i o no fs t r a i no ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp l a t ea n dt h eb o t t o ms u r f a c eo f t h ec o n c r e t ec h a n g e ds i g n i f i c a n t l y , t h es l i pb e t w e e nt h ec o r r u g a t e ds t e e lp l a t ea n d t h ec o n c r e t ei ss m a l l e r H o w e v e r ，t h en o r m a lc o n t a c tb e h a v i o rb e t w e e nc o r r u g a t e d s t e e lp l a t ea n dc o n c r e t ei su n e v e n 3 A c c o r d i n gt ot h ep a r t i a lm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e b r i d g ed e c k sa n ds o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sc o n c r e t es t r e n g t hg r a d e ，t h e t h i c k n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp l a t ei s a n a l y z e dt op r o v i d et h e r e f e r e n c ea n db a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n i n g 4 T h es t r e s so ft h ec o n c r e t eb r i d g ed e c k s ，c o r r u g a t e ds t e e lp l a t ea n dt h eb e a mc a u s e d b ys h r i n k a g ea n dc r e e pi si n c r e a s e d W h i l et h ei m p r o v e ds t r e n g t ho fc o n c r e t e n l e s t r e s so fe a c hc o m p o n e n t sr e d u c e sg r a d u a l l y T h ei n c o o r d i n a t ed e f o r m a t i o nr e s u l t s i np r o d u c i n gt h et e m p e r a t u r es t r e s s K E Y W O R D S ：c o r r u g a t e ds t e e l ；c o m p o s i t eb r i d g e d e c k ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ； s u b m o d e l i n gm e t h o d ；s h r i n k a g ea n dc r e e p I I I 万方数据 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 。2 组合桥面板应用背景及现状。2 1 2 1 组合桥面板在国外的研究发展2 1 2 2 组合桥面板在国内的研究发展5 1 3 波形钢混凝土组合桥面板介绍6 1 3 。l 波形钢板的特性及应用7 1 3 2 波形钢混凝土组合桥面板的研究现状8 1 4 本文研究的主要内容9 第二章淮南孔李淮河大桥概况及整体模型分析10 2 1 淮南孔李淮河大桥概况1 0 2 2 淮南孔李淮和大桥设计要点1 0 2 3 淮南孔李淮河大桥计算参数1 2 2 4 淮南孔李淮河大桥整体有限元模型及分析1 3 2 。4 1 单元的建立1 3 2 4 2 边界的模拟。1 4 2 4 3 荷载的模拟1 4 2 4 4 计算结果分析1 4 2 5 本章小结1 7 第三章波形钢混凝土组合桥面板局部模型分析18 3 1 概述18 3 1 1A b a q u s 有限元软件介绍。1 8 3 1 2 子模型法。1 8 3 2 材料的本构关系18 3 2 1 波形钢板的本构模型及参数1 9 3 2 2 混凝土的本构模型及参数1 9 3 3 有限元计算模型的建立2 1 3 3 1 局部模型尺寸选择一2 1 3 3 2 单元类型的选择。2 2 3 3 3 网格的划分2 3 3 4 界面模拟2 4 3 5 加载方式及边界条件2 6 I V 万方数据 3 5 1 加载方式2 6 3 5 2 边界条件2 7 3 6 模型验证2 8 3 7 本章小结3I 第四章波形钢混凝土组合桥面板受力性能及参数分析3 2 4 1 受力性能分析3 2 4 1 1 波形钢混凝土组合桥面板的受力分析3 2 4 1 2 波形钢折板与混凝土桥面板的相对滑移及接触应力3 5 4 1 3 波形钢折板对桥面板受力性能的影响3 7 4 2 波形钢混凝土组合桥面板参数分析3 8 4 2 1 参数选取3 8 4 2 2 混凝土强度3 9 4 2 3 波形钢折板强度。3 9 4 2 4 波形钢折板厚度。4 1 4 3 本章小结4 2 第五章波形钢混凝土组合桥面板收缩徐变及温度效应研究4 3 5 1 收缩徐变效应4 3 5 1 1 收缩徐变效应的计算方法4 3 5 1 。2 收缩徐变模型4 6 5 1 3 收缩徐变效应在A b a q u s 中的实现4 9 5 1 4 波形钢混凝土桥面板收缩徐变分析5 0 5 2 温度效应5 8 5 2 。1 温度作用及效应5 8 5 2 2 波形钢混凝土桥面板温度效应分析5 8 5 3 本章小结6 0 第六章结论与展望6 1 6 1 论文的研究工作及结论。6 1 6 2 研究工作展望6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况6 6 V 万方数据 插图清单 图1 1 压型钢板混凝土组合板的典型形式3 图1 2 日本板桥川桥钢板混凝土组合桥面板构造4 图1 3 波形钢腹板组合箱梁构造图7 图1 4 波形钢板示意图8 图2 1 淮南孔李淮河大桥总体布置图1 0 图2 2 桥面系横断面图1 1 图2 3 桥面板构造图1 2 图2 4 波形钢板连接构造图1 2 图2 5 淮南孔李淮河整体模型1 3 图2 6 桥梁支座布置图1 4 图2 7 主纵梁竖向弯矩图1 5 图2 8 横梁竖向弯矩图16 图2 9 中跨横梁竖向弯矩图1 6 图3 1 钢材应力应变关系曲线1 9 图3 2 混凝土单轴受力损伤变量计算简图2 0 图3 3C 3 D 8 R 单元2 2 图3 4S 4 R 单元2 2 图3 5B 3 1 单元2 3 图3 6 局部模型网格划分示意图2 4 图3 7A B A Q U S S T A N D A R D 接触算法2 5 图3 8 摩擦模型示意2 6 图3 9 临界剪应力示意图2 6 图3 1 0 加载垫片布置图2 7 图3 1 1 组合桥面板构件横截面尺寸2 8 图3 1 2 有限元模型示意图2 8 图3 1 3 有限元模型分析与试验结果对比3 0 图3 1 4 波形钢翼缘上部混凝土压碎破坏3 0 图4 1 混凝土桥面板跨中截面应变沿截面高度分布3 2 图4 2 波形钢板跨中截面荷载应变分布3 3 图4 3 波形钢板跨中截面荷载应力分布3 3 图4 4 荷载位移曲线3 4 图4 5 混凝土底面跨中纵向应变3 4 V I 万方数据 图4 6 波形板跨中纵向应变3 5 图4 7 荷载相对滑移关系曲线3 6 图4 8 波形钢折板混凝土接触压应力3 7 图4 9 波形钢折板混凝土之间剥离3 7 图4 1 0 荷载挠度曲线对比3 8 图4 1 1 不同混凝土强度构件承载力提高率3 9 图4 1 2 不同型号钢材对应构件的加载位移曲线4 0 图4 1 3 不同厚度波折板构件的荷载位移曲线4 1 图5 1 收缩徐变效应作用下混凝土桥面板底纵向应力分布5 1 图5 2 收缩徐变效应作用下混凝土桥面板底横向应力分布5 3 图5 3 收缩徐变效应作用下波形钢折板纵向应力分布5 4 图5 4 收缩徐变效应作用下钢纵梁顶应力分布图5 5 图5 5 收缩徐变效应作用下钢横梁顶应力分布图5 5 图5 6 徐变系数变化规律5 6 图5 7 收缩应变变化规律5 6 图5 8 混凝土桥面板底纵桥向收缩徐变效应5 7 图5 9 波形钢折板纵桥向收缩徐变效应5 7 图5 1 0 钢纵梁顶收缩徐变效应5 7 图5 11 钢横梁顶收缩徐变效应5 8 V I I 万方数据 表格清单 表2 1 结构钢材力学性能参数表1 3 表3 1 混凝土相关参数取值2 1 表3 2 各梁端位移边界条件2 7 表4 1 两种桥面板计算结果对比3 8 表4 2 不同强度等级混凝土构件的承载力3 9 表4 3 不同型号钢材参数4 0 表4 4 不同型号钢材对应构件承载力4 l 表4 5 不同波形钢折板厚度下的构件承载力4 1 表5 1 整体温度效应下混凝土桥面板受力5 9 表5 2 整体温度效应下波形钢折板受力5 9 表5 3 整体温度效应下纵横梁受力6 0 V I I I 万方数据 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 作为桥梁结构中车辆通行直接接触的部分，桥面板的工作状态直接影响桥梁 结构的耐久性及通行的舒适度。在构造上，桥面板通常与主梁梁肋以及横隔梁相 连，既将车辆活载传递给主梁，又保证了主梁的整体作用【1 1 。由于桥面板直接承受 车辆荷载，加上车辆对桥面长期的冲击及磨损，使得其成为整个桥梁最不利的结 构之一。目前桥梁桥面板的主要结构形式有钢筋混凝土桥面板、钢桥面板、钢混 组合桥面板等。 传统桥面板一般采用钢筋混凝土结构，结构上因其自重大而限制了其跨越能 力，钢筋混凝土桥面板主要病害主要包括有桥面板裂缝、凹坑、分层、剥落以及 腐蚀破坏。 ( 1 ) 桥面板裂缝：桥面板裂缝的产生有很多因素参与，主要有混凝土硬化过程 中，其收缩引起的拉应力达到混凝土的拉伸强度，造成混凝土的干缩开裂；其次， 温度频繁的变化和收缩产生相同的效果，使桥面板中产生应力，温度的升高引起 压应力，降低引起拉应力。桥面板裂缝作为桥面板的最主要病害，一旦出现会导 致其他病害的产生，从而加剧了桥面板的退化 2 】。 ( 2 ) 桥面板的凹坑、分层、剥落：随着近年来我国交通运输量的大幅增长，行 车密度和车辆载重也日益增多，再加上我国的公路超载现象普遍存在，重型车辆 在开裂的桥面板上行驶，会造成应变应力集中，形成凹坑，桥面的分层，剥落， 大大降低甚至终止了桥梁的承载能力，造成严重的安全隐患。 ( 3 ) 桥面板的腐蚀破坏：由于桥面板长期暴露于自然环境，加上冬季桥梁维护 除冰盐的使用，或是在沿海、盐渍地区腐蚀性较强的环境中，桥面板内部钢筋与 其周遭环境的电化学反应形成锈蚀，腐蚀钢筋的膨胀力使包裹钢筋的混凝土部分 发生开裂，在钢筋的纵向也可能出现裂纹，对桥梁结构的耐久性和安全性影响显 著。 随着桥梁建设的飞速发展，具有跨越能力强、结构自重轻、施工方便、可回 收等特点的钢桥面板在大跨度桥梁中得到了广泛应用。钢桥面板一般由顶板、腹 板、底板以及纵横向的加劲肋组成，纵肋密集，横肋稀疏，两方向刚度相差较大， 受力性能也不同，也称为正交异性钢桥面板。一般正交异性钢桥面板的厚度不小 于l O m m ，钢板上部用不小于5 0 m m 厚的沥青、环氧树脂或者橡胶作为铺装层。 加劲肋之间通过焊缝连接，由于钢桥面板的焊缝复杂且含疲劳缺陷，焊接缺 陷、残余应力以及应力集中等因素，加上桥面板长期遭受车辆动荷载反复作用， 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 焊接处易产生疲劳裂纹，甚至逐步的发展成钢材的疲劳脆断，成为钢桥面板结构 的主要病害。 钢混凝土组合结构广泛应用于多层及高层建筑中，大量的学者对组合结构进 行了试验与理论的研究分析，但组合板在桥梁结构中应用并不广泛，尤其组合板 应用于桥面板结构中，充分发挥混凝土和钢两种材料的优点，其研究具有广阔的 发展前景及现实意义。 从结构上来说，组合桥面板充分地利用了混凝土与钢材的这两种材料的受力 性能，使钢板主要受拉而混凝土主要受压，它以其自重轻、延展性良好、整体水 平刚度大、施工速度快等特点，备受设计人员青睐。实践表明，组合桥面板有以 下优点： ( 1 ) 在施工阶段，组合桥面板中的钢板可以承担部分施工荷载，起到模板作用， 这样可以免除模板拆卸，且组合桥面板部分可以预制，大大简化了施工工序，保 证了施工质量，实现快速安全施工，在组合桥面板以后的翻修改建中，因其施工 快速且影响交通小，也具有一定优势。 ( 2 ) 在使用阶段，组合桥面板的钢板被用作混凝土的受拉部分，还可以抵抗板 面截面的正弯矩，与混凝土一起共同提高抗剪力，可只布置抵抗混凝土收缩和温 度影响的构造筋以及支座处的负弯矩区的受拉钢筋，大大减少了钢筋用量。 本文以安徽省淮南孔李淮河大桥右汊航道桥为工程背景，对该类波形钢混凝 土组合桥面板的受力性能及影响参数进行了分析，分析了收缩徐变以及整体温度 作用下桥面板的受力状态，不仅可为工程设计提供参考，也可为波形钢混凝土组 合桥面板运营养护提供帮助，论文研究具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 2 组合桥面板应用背景及现状 1 2 1 组合桥面板在国外的研究发展 组合板的研究与应用己有八十多年的历史，二十世纪六十年代前后，随着多 层及高层建筑的大量兴建，欧美、日本等发达国家开始将压型钢板作为楼板的永 久性模板，作为浇注混凝土以及施工的平台。作为最早应用的组合板形式，压型 钢板混凝土组合板在长期的使用过程中，人们发现钢板与混凝土作为整体共同受 力协同作用可以提高结构的受力性能，于是人们开始尝试在钢板上压出凹凸不平 的齿槽，在钢板上焊接剪力栓钉等方法来提高钢板与混凝土之间的粘结力，这样 可节省楼板的纵向受力筋，具有较大的优越性。目前应用典型的压型钢板混凝土 组合板的形式主要有以下几种形式，如图1 1 所示。 很多学者对组合板进行了大量的试验研究，1 9 6 7 年，B r y t 和S c h u s t e r 3 】对压 纹压型钢板混凝土组合板的研究得出了没有剪力连接件的组合板出现了突然破 2 万方数据 第一章绪论 坏，布置有剪力连接件的组合板随着剪力连接件发生的塑性变形，导致承载力明 显下降，且在剪力连接件的作用下，组合板可按照非开裂截面计算弯曲强度，粘 结应力以及允许荷载等结论。E k b e r g 、P o r t e r 和S c h u s t e r 经过对各种不同形式压纹 的压型钢板混凝土组合板的系统研究，在1 9 7 0 年提出了针对单向组合板的极限弯 曲强度设计，并给出了纵向剪切粘结力的半径验极限强度公式。1 9 7 5 年，E k b e r g 和P o r t e r 4 - 5 】通过对压型钢板混凝土组合板剪切粘结性进行了试验，指出组合板的 剪切粘结度主要依据压型钢板类型、表面凸肋、截面形式以及其他剪切构造措施 来决定。P o r t e r 、R e i n h o l d 等许多学者对组合板受力性能也进行了进一步的研究， 提出了各种组合板设计的方法建议，为组合板的研究发展提供了坚实的理论基础。 国国国 ( a ) 机械锚固型 C o ) 端部锚固型 国国国 ( c ) 绢1 ：3 型 图1 1 压型钢板混凝土组合板的典型形式 F i g 1 1T y p i c a lf o r m so fc l o s e dp r o f i l e ds h e e t i n g - c o n c r e t ec o m p o s i t es l a b 上世纪七十年代以后，组合结构的研究得到了新的发展，特别应用于高层建 筑中，其优越性明显，因此许多国家制定了相应的规范来指导组合结构的设计， 譬如2 0 世纪6 0 年代末国际桥梁和结构工程联合会和美国钢结构学会( A t S C ) 相继 制定了统一规定；日本也于1 9 7 0 年制定发布了压型钢板结构设计与施工规范及 其说明；1 9 8 1 年，欧洲钢结构协会( E C C S ) 出版了组合结构规程及说明：欧洲 共同体建筑( E C C ) 与土木工程部也出版了钢与混凝土组合结构统一标准规范； 美国、德国、加拿大等国也相继出版制定了相关图表手册，大大推动了组合结构 的研究发展。 二十世纪八十年代以后，随着压型钢板混凝土组合板在欧美等发达国家高层 建筑及厂房中的广泛应用以及电子计算机的普及，越来越多的学者投身到压型钢 板混凝土组合板的研究中来。1 9 8 6 年，M a n s u r t 等【1 0 l 为研究钢板混凝土组合板的 粘结承载力的影响因素进行了三点加载试验，提出了相应的经验计算公式。该公 式在1 9 9 4 年得到了P a r t r i c k ，P o hK 。W 【8 】的试验验证，同时也对组合板设计参数提 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 出了更加广泛的计算公式。D a n i e l s 等【6 。7 】对压型钢板混凝土组合板的剪切粘结性 能进行了试验研究分析；B y r o n M i c h e lC r i s i n e l 等【9 】对组合板的极限承载力进行了 理论分析，提出了简化设计方法。 直到二十世纪九十年代末，组合板中钢板与混凝土间的相对滑移才得到重视， 用时，组合板的分析又有了塑性理论的加入而得到了进一步的发展。1 9 9 7 年， S a u e b o mI n g e b o r g 1 1 】对钢板与混凝土的相对滑移进行了试验研究，同时考虑了板的 弯曲和转动刚度，并提出了组合板极限承载力的计算方法。P e n t t i 1 2 】，B u m e t 和 O e h l e r s t l 3 通过试验研究分析了凹槽对组合板纵向剪切承载力的影响。 近些年来，Y o u n J uJ e o n g 、H y u n B o nK o o 等【1 3 】对压型钢板混凝土组合板的承 载力及疲劳性能进行了试验研究，推导出更加准确的抗剪承载力计算方式，并分 析了组合板的疲劳特性。 上面研究大部分均是对钢板厚度在0 7 2 m m 之间的压型钢板混凝土组合板展 开的，属于异型钢板组合板，随着组合结构理论与实践的深入发展，特别是在桥 梁领域的应用，出现了一种组合板底部为平板的形式，即钢板混凝土组合板，日 本作为地震最多发的国家之一，其对结构的抗震性能高度重视，钢板混凝土组合 板的成功应用使得日本在组合板应用领域走在世界前列。 1 9 6 9 年，日本西栗桥的桥面采用了钢板混凝土组合板结构形式，成功运营1 8 年后的桥梁检测证实了这一结构轻型高强的优越性。该桥面板下部采用4 5 m m 厚 的钢板，组合板厚15 0 m m ，比普通桥面板薄约3 0 m m ，但其与普通桥面板具有相 同的承载能力，且延性增加，减轻了上部结构的重量。板桥川桥是钢板混凝土组 合桥面板在日本成功应用的另一实例，该桥是一座5 跨连续上承式的钢桁架桥，其 采用的钢板混凝土组合桥面板跨径5 m ，采用T 型和L 型两种剪力连接件，具体 构造图如1 2 图所示。 图1 2 日本板桥川桥钢板混凝土组合桥面板构造 F i g 1 2C o m p o s i t es t e e l - c o n c r e t eb r i d g ed e c ko fJ a p a nB a n q i a oR i v e rB r i d g e 4 万方数据 第一章绪论 1 2 2 组合桥面板在国内的研究发展 我国对组合板的研究与应用起步较晚，1 9 7 5 年，上海冷冻五厂最早使用引进 了压型钢板。到了二十世纪八十年代，我国的压型钢板混凝土组合板应用与研究 飞速发展。1 9 8 3 年，何保康教授编排了压型钢板资料汇编1 1 4 1 ，并与赵鸿铁教 授一起系统的编译出版了压型钢板混凝土组合楼板的设计【1 5 】。1 9 8 4 至1 9 8 8 年间，原冶金工业部建筑研究总院对3 0 多块的压型钢板混凝土组合板的性能进行 系统的试验分析研究，为我国的组合板理论发展奠定了坚实的理论基础。郑州工 学院也于8 0 年代末对压型钢板混凝土组合板的剪切破坏原理进行的试验分析，提 出组合板的抗剪承载力计算方式 1 6 】。 二十世纪九十年代后，组合板的理论研究蓬勃发展，国内大量的学者进行了 这方面的工作。张培卿、刘文如【1 7 1 8 】对2 8 块压型钢板混凝土组合板的进行试验分 析，从弹性理论出发探讨了组合板在不同连接件下的变形，初步提出了组合板界 面相对滑移的挠曲变形，以端头栓钉的直接和布置密度做研究对象，分析其对抗 弯承载力的影响。袁发顺、胡夏剐1 9 】提出了组合板的非线性分析方法，且计算得 到的组合板的挠度曲线与试验符合较好。孙荣华、陈世鸣 2 0 】采用有限元分析手段， 对组合板极限状态下纵向剪力的计算方法进行了探究。谢云、江世永【2 1 】对有螺栓 的压型钢板混凝土组合板承载力进行试验分析，对比组合板的不同破坏方式，在 此基础上提出了组合板正截面承载力的计算方式。 进入二十一世纪，组合板的研究进入了新的阶段，随着组合板在建筑结构方 面的广泛应用，其在桥梁工程中的应用也得到了越来越多的推广。2 0 0 6 年建成通 车的广东佛山市东平大桥是我国首座采用钢混凝土组合桥面板的桥梁，组合桥面 板钢板底厚8 m m ，钢纤维混凝土厚1 2 0 m m ，采用开孔钢板剪力连接件，由主纵梁 ( 即钢系梁) 、横梁和小纵梁共同组成的梁格体系支撑。 西南交通大学的赵人达、占玉林等瞄2 5 】对东平大桥钢混凝土组合桥面板的整 体性能进行试验分析，设计了组合桥面板的负弯矩以及正弯矩区两段模型试件， 因为受场地、试验条件及经费的限制，试验按照应力等效进行模拟做静力加载和 疲劳试验，制作了一简支与原型结构1 ：1 比例的单向板。同时，建立了有限元模型 进行分析，与东平大桥试验结果进行比较，验证了试验的可靠性，得出了在疲劳 荷载作用下，板的荷载一挠度曲线呈线性变化，不同的疲劳荷载在同一断面处产 生的挠度发展趋势相同，且挠度并没有随着疲劳荷载作用次数的增加而有明显变 化。组合桥面板整体工作性能良好，在正常使用条件下，不会发生疲劳破坏。采 用开孔钢板剪力连接件可以减小桥面板厚度，增加开孔钢板中的贯穿钢筋有利于 提高混凝土的受压承载力。组合桥面板在使用荷载作用中表现出良好的弹性性能， 经过疲劳、破坏荷载阶段后，结构整体工作性能良好，底部钢板与混凝土的相对 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 滑移量较小，且发生在破坏阶段。 徐宙元、杨勇、赵人达等【2 6 - 2 9 】设计完成了31 块钢混凝土组合桥面板静力加载 试验，其中1 4 块带开孔钢板剪力连接件钢混凝土单向组合板试件分两组分别受正 负弯矩作用，对这些试件采取三分点进行静力加载，结果表明组合桥面板的钢底 板与混凝土之间相对滑移较小，组合作用较好，可视为钢底板与混凝土是完全连 接，这也为理论计算提供实验依据。不同的剪跨比的试件大部分发生弯曲破坏， 充分发挥了钢筋的受拉以及混凝土的抗压能力，少量试件为竖向或纵向的剪切破 坏，在极限状态下，其截面应变满足平截面假定。承受负弯矩作用的组合桥面板， 其承载力和纵筋的配筋率、开孔钢板的布置关系密切。顺跨度方向的开孔钢板达 极限状态时，受拉侧已经屈服。1 7 块正交异性双向组合板试件分两组分别进行正 反集中加载，以钢底板的厚度、开孔钢板间距、约束条件等作为参数进行试验设 计，双向板试件大部分发生弯曲冲切破坏，只有一小部分发生剪切破坏，结果表 明对于正向集中加载的组合桥面板，其承载力较高，在加载点附近的混凝土局部 遭受冲切破坏后，结构仍继续承载。在接近极限荷载的情况下，底部钢板受拉屈 曲，而结果承载力没有发生急剧下降，展现了良好的延性。钢板以及混凝土板的 厚度、开孔钢板的间距对双向组合桥面板的承载性能影响显著。而反向集中加载 的情况下，承载能力与底部钢筋的布置关系密切。板中裂缝近似矩形网格状分布， 这一现象为屈服线理论计算极限承载力提供了有力的保证。 2 0 1 5 年，四川省以交通科研项目“钢一混凝土组合正交