（工程力学专业论文）钢桁架混凝土组合梁有效宽度的研究.pdf

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强度、混凝土强度等级、混凝土板厚度、组合梁宽跨比、组合梁跨高比变化时 对单榀和三榀钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的影响。通过模拟计算得出了组 合梁在不同加载阶段混凝土板的有效宽度；总结并对比了单榀和三榀钢桁架一 混凝土组合梁在不同影响因素作用下有效宽度，给出了钢桁架一混凝土组合梁 混凝土翼缘板有效宽度的取值建议，可做为实际工程的设计参考。 关键词：钢桁架一混凝土组合梁有限元分析剪力滞后效应有效宽度 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p o s i t e 咖t u r e i st h es 协j c t u r et h a tt h es a m ec r o s s s e c t i o nm a d eu pb yt w oo r m o r em a t e r i a l s a st h en e e d so fe n g i n e e r i n g ，s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r ei s u s e dm o r ea n dm o r ei nr e c e n ty e a r s s t e e lt r u s s c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a mi so n ek i n d o fs t e e l - c o n c r e t ec o m p o s i t es n u c t i l r e i ti sc o m p o s i t e db ys t e e lt r u s sa n dc o n c r e t e s l a bw h i c ha r ec o n n e c t e db yc o n n e c t i n gp i e c e sa n db e a rl o a d st o g e t h e r t h i ss 劬c t u r e h a sp l a y e dav e r yg o o dt e n s i l ep r o p e r t yo fs t e e la n dt h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so f c o n c r e t e ，a tt h es a m et i m ei th a sb i gs t i f f n e s s ，b i gl o a ds u p p o r tc a p a b i l i t y ，s m a l l f l e x u r ea n ds m a l lc o n s t r u c t i o nc o s t a tp r e s e n ts t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a mh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h eb r i d g es 咖c t u r e ，l a r g es p a c es t r u c t u r e t h ee f f e c t i v ew i d t ho ft h ec o n c r e t es l a bi sav e r yi m p o r t a n tf a c t o ri nd e s i g n i n g s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m i ti m p a c t st h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t eb e a m s d i r e c t l y c o n c r e t es l a bw i l lb ev e r t i c a ls h e a ra ss h e a rt r a n s f e rb e t w e e nc o n c r e t es l a b a n ds t e e lt r u s sw h e nt h ec o m p o s i t eb e a m su n d e rl o a d w i t ht h er e a s o no ft h ev e r t i c a l s h e a r , n o n u n i f o r ms t r e s sd i s t r i b u t i o nc a l lb ea p p e a r e di nc o n c r e t eb o a r da n ds t r e s s m u t a t i o n sp h e n o m e n o nw i l lb eo c c u r r e da tt h ec o n n e c t i o no ft h ec o n c r e t es l a ba n dt h e w e b t h ep h e n o m e n o nd e s c r i b e da b o v ei sc a l l e dt h es h e a rl a go rs h e a rl a ge 行i e c t t h e e l e m e n t a r yb e a mt h e o r yo ft h em e c h a n i c sm a t e r i a l sw h i c hp r e s u m e sc o n c r e t es l a b s e c t i o ns t r e s se q u a le v e r y w h e r ec a l ln o tb eu s e d i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r eam a s s o fr e s e a r c ho ne f f e c t i v ew i d t ho fs t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a mi nc h i n a b u tt h e p r o v i s i o no ft h ee f f e c t i v ew i d t hi sn o tf u l l ya n ds t r i c ta sv a r i o u sf o r m so ft r u s sb e a m s ir e s e a r c ht h ee f f e c t i v ew i d t ho fs t e e lt r u s s c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a mw i t l lf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nh a r d l yi no r d e rt or e s o l v em o r ep r o b l e mo fe f f e c t i v ew i d t ho f s t e e lc o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m t h i sp a p e rr e s e a r c h e sd o z e n so fs t e e lt r u s s - c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a ma n d3 s t e e lt r u s s - c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m sa n da n a l y z e ss e v e r a ld o m i n a n tf a c t o r sa b o u t s t e e lt r u s s - c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m ，s u c ha st h ea r r a n g e m e n tm o d eo fm a l ep i n ( s h e a rc o n n e c t i o nd e g r e e ) ，f o r mo ft h el o a d s ，s t e e l sy i e l d i n gs t r e n g t h , c o n c r e t e i i a b s t r a c t s t r e n g t h ，t h i c k n e s so ft h ec o n c r e t es l a b ，w i d t h - s p a nr a t i oo ft h ec o m p o s i t eb e a m ， s p a n d e p t hr a t i oo ft h ec o m p o s i t eb e a m u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o c a l c u l a t et h ee f f e c t i v ew i d t ho fc o n c r e t es l a ba td i f f e r e n tl o a d s t a g e s t h e n s u m m a r i z ea n dc o n t r a s tt h ee f f e c t i v ew i d t ho ft h es i n g l e p i ns t e e lt r u s s c o n c r e t e c o m p o s i t eb e a ma n d3s t e e lt r u s s c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m sb a s e do nt h ed i f f e r e n t f a c t o r sa n dip u tf o r w a r ds o m ea d v i c et ov a l u et h ee f f e c t i v ew i d t ho ft h es t e e lt r u s s c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m sc o n c r e t ef l a n g ep l a t e k e y w o r d s ：s t e e lt r u s s - c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s h e a r - l a g e f f e c t ，e f f e c t i v ew i d t h i i i 目录 摘要i a b s l 弛c t i i 1绪 1 1 弓i 言1 1 2 钢一混凝土组合梁的发展及研究2 1 2 1 钢一混凝土组合梁的发展。2 1 2 2 钢一混凝土组合梁的研究现状。3 1 3 钢一混凝土组合梁有效宽度的研究现状及简介5 1 3 1 钢一混凝土组合梁有效宽度现状5 1 3 2 钢桁架一混凝土组合梁有效宽度研究简介。7 1 4 本文的研究工作和研究思路8 2 钢桁架一混凝土组合梁有限元模型的建立1 0 2 1 引言1o 2 2 钢桁架一混凝土组合梁有限元模拟方法1 0 2 2 1 前处理过程1 0 2 2 2 单元网格划分1 4 2 2 3 加载求解过程1 4 2 2 4 后处理过程1 5 2 3 钢桁架一混凝土组合梁模型建立1 6 2 3 1 钢筋混凝+ 板的建立1 7 2 3 2 钢桁架梁模型的建立1 7 2 1 3 3 栓钉连接件的模拟18 2 3 4 有限元方法分析的基本步骤1 9 2 5 本章小结2 0 3 单榀钢桁架一混凝土组合梁有效宽度研究2 1 3 1 有效宽度的概念。2 1 3 1 1 剪力滞后效应2 1 3 1 2 组合梁有效宽度的计算2 2 3 2 栓钉连接件布置不同对钢桁架一混凝土组合梁有效宽度影响2 2 3 2 1 组合梁模型的设计参数2 2 3 2 2 钢桁架一混凝土组合梁荷载与跨中位移的关系2 3 3 2 3 栓钉连接件布置不同时有效宽度计算结果2 4 3 3 荷载作用形式不同对组合梁有效宽度的影响2 5 3 3 1 组合梁模型的设计参数2 5 3 3 2 钢桁架混凝土组合梁荷载与跨中位移的关系2 6 3 3 3 荷载作用形式不同时有效宽度计算结果2 8 3 4 混凝土板厚度不同对组合梁有效宽度的影响2 9 3 4 1 组合梁模型的设计参数2 9 3 4 2 钢桁架一混凝土组合梁荷载与跨中位移的关系2 9 3 4 3混凝土板厚不同时有效宽度计算结果31 3 5 混凝土板强度等级不同对组合梁有效宽度的影响。3 2 3 5 1 组合梁模型的设计参数3 2 3 5 2 钢桁架一混凝土组合梁荷载与跨中位移的关系3 2 3 5 3 混凝土板强度不同时有效宽度计算结果3 3 3 6 宽跨比不同对钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的影响3 4 3 6 1 组合梁模型的设计参数3 4 3 6 2 钢桁架一混凝土组合梁宽跨比不同时荷载与跨中位移的关系3 4 3 6 3组合梁宽跨比不同时有效宽度计算结果3 5 3 7 钢桁架材料强度不同对组合梁有效宽度的影响3 6 3 7 1 组合梁模型的设计参数3 6 3 7 2 钢桁架一混凝土组合梁钢材强度不同时荷载与跨中位移的关系3 7 3 7 3 组合梁钢材强度不同时有效宽度计算结果3 7 3 8 跨高比不同对组合梁有效宽度的影响3 9 3 8 1 组合梁模型的设计参数3 9 3 8 2 钢桁架一混凝士组合梁跨高比不同时荷载与跨中位移的关系3 9 3 8 3组合梁宽跨比不同时有效宽度计算结果4 0 3 9 钢桁架一混凝土组合梁翼缘板有效宽度近似公式4 l 3 1 0 本章小结。4 3 4 三榀钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的分析4 4 4 1 引言。4 4 4 2 三榀钢桁架一混凝土组合梁不同截面有效宽度研究分析4 5 4 2 1 均布荷载作用下组合梁有效宽度4 5 4 2 2 不同荷载作用形式下组合梁的有效宽度4 6 4 3 单榀与三榀钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的计算结果。4 8 4 3 1 钢桁架一混凝土组合梁在不同参数下的有效宽度5 0 4 3 2 计算结果分析5 3 4 4 本章小结5 4 5 结论与展望5 5 5 1 本文结论5 5 5 2 展望5 7 参考文献5 8 致 射6 0 个人简历61 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 钢一混凝土组合结构是在钢筋混凝土结构和钢结构的基础上发展出现的一 种新型结构。钢一混凝土组合结构通过一定的连接方式将钢结构部分和混凝土 部分连接在一起，使其共同受力。这种结构能够减少和避免钢结构和钢筋混凝 土结构的一些缺点，且同时拥有两种结构的优点，有效的利用了钢材抗拉强度 高和混凝土材料抗压强度高的特点【l 】。钢一混凝土组合结构与钢结构相比，它可 以大大的减少甚至完全避免纯钢结构的整体失稳、局部失稳等问题，同时可以 提高钢结构的刚度，也可以节省大量的钢材【2 】；钢一混凝土组合结构与钢筋混凝 土结构相比，它大大降低了结构的自重，降低了结构基础的设计难度和造价， 减少了施工过程中的工作量，使结构或者构件的延性有较大的提高，同时也提 高了结构的抗震性能，增加了结构的有效空间，同时减小了建筑的施工周期， 因此，钢混凝土组合结构在建筑领域的运用越来越多。在钢一混凝土组合结构 中常见的构件之一是钢一混凝土组合梁( 简称组合梁) ，常见的组合梁的截面按 钢结构的形式有实腹式钢梁、桁架、箱形梁等，其中实腹式钢梁的组合梁截面 形式如图1 1 所示： 捡钉 图1 1 常见的实腹式钢梁组合梁截面 钢一混凝土组合梁有很多的优点，但是也有一定的缺陷，与纯钢梁有所类 似，其维护的费用较高，主要表现为防火性能较差。但与纯钢结构相比，其防 1 绪论 火性能有了很大的提高，特别是随着科学的发展，防火技术的日新月异，其缺 陷越来越不明显。 实践证明：随着钢一混凝土组合结构在建筑结构、桥梁结构中的应用越来 越多，它已经给我国社会主义建设带来了巨大的社会效益和经济效益，是一种 符合我国国情的结构形式，相信组合结构将是我国未来建筑结构中重要发展方 向之一，对于组合结构的研究有重大的意义【3 1 。 1 2 钢一混凝土组合梁的发展及研究 1 2 1 钢一混凝土组合梁的发展 钢一混凝土组合结构发展的历程较短，最早研究组合结构的国家有美国、 日本、欧洲的一些国家，目前组合结构在这些国家已经有了较成熟的应用和发 展。 组合梁是组合结构中的一种，它由两种不同材料结合或不同工序结合而成 的。钢一混凝土组合梁则是由钢梁和混凝土结合共同工作，它的发展基本上分 为三个阶段。 钢一混凝土组合梁最早大约出现在1 9 世纪末，当时由于考虑了钢结构防火 的要求，在钢结构梁的周围包上混凝土，但是没有研究钢结构梁和混凝土的组 合效应。但随着这种结构形式的发展，出现了钢结构梁和混凝土之间连接的各 种形式。2 0 世纪2 0 年代英国的一位研究学者对组合梁进行了物理力学性能的实 验，此后提出了可以根据材料力学的方法对组合梁进行设计。与此同时，美国 学家r a c a u g h e y 首次提出了在组合梁中的钢与混凝土板之间应该有机械连接 件来承受纵向水平剪力。1 9 2 6 年，j k a h n 获得了组合结构的专利权，这也是组 合结构研究阶段的里程碑1 4 1 。此后二十年间研究者们运用推出实验研究了抗剪连 接件，进行了丁螺旋筋剪力连接件组合梁实验以及各种钢结构与混凝土的连接 件的出现，这可归结为钢一混凝土组合结构发展的开始阶段。 钢一混凝土组合结构发展的第二个阶段是从二十世纪四十年代到六十年 代。在这个时期，由于对组合结构有一定研究的国家在组合结构发展的初级阶 段奠定了一部分的基础，他们对组合梁有了新的理解和认识，并全面、深入的 研究了组合梁的各种性能。一些技术先进的国家，如：美国、前苏联、日本都 制定了组合结构的使用规范和设计规程。由于各国对组合梁有了较深的理解， 2 i 绪论 组合梁在这些国家有了比较广泛的应用，尤其是在桥梁方面，美国公路协会在 公路桥梁设计规范中专门制定了组合结构的相关规定，这也是最早的组合 梁的设计规范。在二十世纪六十年代末，在组合梁的研究方面有了较大的突破 和进展，由原来传统的弹性理论分析开始逐步转为按照弹塑性理论的极限荷载 设计，应用范围也由原来的主要为桥梁结构扩展到工业与民用建筑中。这个时 期也就是组合梁发展的阶段。 钢一混凝土组合结构发展的第三个阶段是从二十世纪七十年代开始。在这 时钢一混凝土组合结构在桥梁、工业以及民用建筑方面已经普遍应用，它的发 展已经超过了钢结构，在很多领域逐渐代替了钢结构和钢筋混凝土结构。二十 世纪七十年代末，西方各国陆续开始制订或修订相关的规范。八十年代初，由 于技术发达的国家在组合结构的研究和实践上有了一定的基础，由国际预应力 联合会、结构工程协会( i a b s e ) 、欧洲钢结构协会、以及国际桥梁与欧洲混凝 土委员会共同组成的组合结构委员会联合颁布了组合结构规范。在组合结 构规范的基础上欧洲共同体委员会在颁布了关于钢一混凝土组合结构设计规 范欧洲规范e c 4 ，为组合结构的研究和应用做了归纳和总结，这是目前世界 上第一本最完整的组合结构规范。 我国对组合结构方面的研究比较晚，基本上是在二十世纪五十年代才开始 研究并应用组合结构。与此同时，组合梁也在我国的桥梁和工业、民用建筑上 有了一定的应用。如：武汉长江大桥上层公路桥的纵梁、芜湖的长江大桥【5 1 、秦 沈客运专线锦大桥、煤矿井塔结构、一些重载工业厂房的吊车梁，组合梁大大 的提高了结构的承载力和刚度。在二十世纪七十年代末，组合梁我国在桥梁及 建筑方面普遍的应用。组合梁的计算和设计在公路桥涵钢结构及木结构设计 规范及公路桥涵设计规范中都有其规定。近年来，组合梁在我国的应用 得到了深入的发展，金茂大厦、上海世界金融大厦、深圳赛格广场等一些大型 建筑都使用了组合结构且均取得了显著的技术经济效益和社会效益。目前国内 在北京、上海、杭州、广州、江苏、西安、成都等城市也正在建造大跨度钢一 混凝土组合结构桥梁。 1 2 2 钢一混凝土组合梁的研究现状 钢一混凝土组合结构在国外研究开始比较早，自二十世纪二十年代加拿大 学者们对组合梁进行了试验后，英国学者经研究提出了基于弹性理论的换算截 i 绪论 面法，这也是研究者们对钢一混凝土组合梁进行定量化研究的标志 6 1 。但换算截 面法有一定的缺陷，这种方法没有考虑钢材与混凝土的交界面相对滑移的影响， 于是后来的研究者们又提出了考虑钢与混凝土交界面相对滑移的分析法。二十 世纪五十年代，美国的学者们提出了解决组合梁交界面的处理方法，它假设钢、 混凝土材料都是弹性材料，抗剪连接件的荷载与滑移之间的关系也为线性关系， 这样列出微分方程，求解方程得到组合梁的挠曲线【7 1 。二十世纪六十年代，英国 学者们借鉴了美国学者提出的解决方法，根据钢材为弹塑性材料，混凝土为非 线性弹塑性材料的实际情况，从不同的情况出发推导出了一些解决方法。之后， 学者们在考虑混凝土掀起和两种材料之间的滑移又提出了部分剪力连接情况下 组合梁的非线性简化迭代方法，得出了位移函数的平衡以及协调方程。二十世 纪七十年代，r g s l u t t e r 提出了钢与混凝土部分剪力连接的极限强度理论。二十 世纪七八十年代，r e j o h n s o n 借鉴了以往的研究成果，推理出了简化的分析方 法，认为部分剪力连接的极限抗弯强度是根据完全剪力连接和钢梁的极限抗弯 强度按连接件数进行线性插值而确定的 4 1 。并根据前学者们所做的对钢筋混凝土 剪力传递的试验结果，指出组合梁在受弯过程中可能产生剪切破坏。同时，混 凝土翼板的纵向开裂也可用剪力摩擦理论分析，并给出了具体的组合梁翼板纵 向抗剪承载力计算公式。近年来国外的学者依旧在从不同方向研究组合梁的性 能【羽。 在国内由于受到各种因素的影响，对组合梁研究起步比较晚，二十世纪八 十年代初，我国才对组合梁有了初步的研究，由于当时技术的落后，我国当时 还不能自己制造抗剪栓钉的设备，在实际工程中用到组合梁时一般选用槽钢或 弯筋连接件。在这期间，原郑州工学院对槽钢剪力连接件进行了初步的试验研 究，得到了剪力连接件的极限承载力计算公式、破坏形态和极限承载力上限值 等。并对钢结构设计规范中的连接件的抗剪承载能力计算公式提出了修正 意见。1 9 8 5 年，原哈尔滨建筑工学院研究者对弯筋连接的组合梁进行了理论分 析和推出式实验，分析了连接件在不同的分布和不同数量的情况下的变形性能 以及受弯性能，得出了组合梁在弹性阶段中混凝土板的抗剪能力的比重，也在 试验研究中指出了极限荷载作用下混凝土板所承受的抗剪能力。八十年代末， 郑州工学院研究者通过实验研究，并对混凝土与钢的交界面的掀起和滑移进行 了观测和分析研究，得出了混凝土板的横向应变以及跨中截面应变分布。并假 定混凝土和钢材的本构关系为弹塑性，推导出了组合梁正截面抗弯强度公式【9 】。 4 l 绪论 1 3 钢一混凝土组合梁有效宽度的研究现状及简介 1 3 1 钢一混凝土组合梁有效宽度现状 由于社会的发展，技术的进步，钢一混凝土组合结构的优点越来越受到工 程中的重视，逐渐得到了普遍的应用和推广。比如：桥梁结构、工业厂房结构、 大跨度建筑结构等，同时也开展了对于钢混凝土组合结构广泛的研究。但是目 前对钢一混凝土组合结构混凝土板有效宽度的研究还不是很成熟，主要表现在 关于钢一混凝土组合梁有效宽度的规定在各国的规范中相差较大。例如：欧洲 组合结构规范对组合梁有效宽度采用组合梁跨度的1 1 0 和扣除钢梁上翼缘宽度 后相邻梁净距离的1 2 两种的最小值。美国a i s c 对组合梁有效宽度规定分为两 部分：1 ) 两侧有翼缘板时取组合梁有效跨径的l 8 ，扣除钢梁上翼缘宽度后相 邻梁净距离的1 2 ，8 倍混凝土板厚三种情况的最小值。2 ) 一侧有翼缘板时取 0 0 8 3 倍的有效跨径、扣除钢梁上翼缘宽度后相邻梁净距离的1 2 、8 倍混凝土板 厚三种情况的最小值。英国规范中组合梁有效宽度采用梁弯矩零点间跨距的1 1 0 和扣除钢梁上翼缘宽度后相邻梁净距离的1 2 两种的最小值。钢一混凝土组合梁 混凝土板的有效宽度是组合梁设计计算中一个重要的截面几何特征值，它对组 合梁的变形以及组合梁的极限承载力有着重要的影响。在计算组合梁的挠度、 组合梁的极限承载力都必须明确混凝土板的有效宽度【1 0 1 。 钢一混凝土组合梁混凝土板的有效宽度是根据组合梁受弯时截面的应力特 征所确定的。如图1 2 所示三根组合梁断面，钢一混凝土组合梁受到荷载作用时， 混凝土板翼缘中产生了剪力滞后现象，这时组合梁混凝土翼缘板中的应力呈曲 线分布。如果按混凝土板内的应力为曲线状态进行组合梁的设计，则是非常复 杂的。为了简化计算，通常采用混凝土板有效宽度，即取有效混凝土板宽和钢 梁做为构件的计算截面。一般假定最大应力不变，并假在有效宽度内这部分混 凝土翼缘板中纵向应力沿宽度方向均匀分布，即矩形应力分布。“有效宽度计算 简图 如图1 2 所示的矩形区域【1 1 1 ，作为合力等效原则，当考虑混凝土板相对于 整个组合梁截面的高度较小，在不考虑沿混凝土板厚度方向应力的不均匀，则 可以写出混凝土板有效宽度的计算表达式为式( 1 1 ) 。沿混凝土板厚度方向的应 力不均匀不能忽略时，则有效宽度的表达式为式( 1 2 ) 。 5 l 绪论 y 名 b e ， ； ； 、 ； ； 一 图1 2 有效宽度计算简图 对于混凝土板有效宽度的取值都是基于“有效矩形应力块法 的结论，如 简明公式( 1 1 ) 所示： 小篮坐 仃m 瓢 沪善 # 2 ， l b f 2 0 x dx dy 仃xg = o ) d y ( 1 2 ) 式中，b e 为混凝土板中的有效宽度；b 为混凝土宽度； 仃。为混凝土板中 最大的应力；ox 为混凝土板中纵向正应力应力；y l ，y 2 分别为混凝土板底面和 顶面的竖向坐标。 关于有效宽度的问题，国内外有很多的学者做了研究，研究的范围包括连 续组合梁、简支组合梁。其中研究方法主要包括实验研究方法、有限元分析方 法、解析法等计算方法，同时也分析了混凝土翼缘板有效宽度的各种影响因素， 提出相应有效宽度的确定方法及结论。国外的如：力学学家v o nk a n n a n 对t 型 梁进行了有效宽度的研究，在弹性范围内分析t 型截面应力分布，也为组合梁 混凝土板有效宽度的研究提供了基础；著名学者w o n g 对组合梁进行了实验和理 论分析，建立了函数关系，用积分的方法求出了组合梁的有效宽度 4 1 【1 2 1 ： 6 l 绪论 近年来国内也有很多学者对组合梁的有效宽度进行了分析，如：哈尔滨工 业大学马忠诚教授用有限元的方法对几百根钢一混凝土组合梁进行了一系列的 研究，分析了梁之间的距离、连接件的数量、梁的长度、截面高度、混凝土板 的厚度以及荷载的类型等有关影响因素，总结出了一组可行的计算公式，同时 也证实了荷载的类型、混凝土板的宽跨比对混凝土组合梁的有效宽度有很大的 影响，而混凝土板的厚度对组合梁翼缘板的有效跨度影响比较小【1 3 1 。清华大学 聂建国教授也采用了实验和有限元的分析方法对组合梁进行了的研究，其中包 括组合梁宽度与长度的比值、荷载的形式、梁的约束情况以及梁间的滑移。同 时得出影响组合梁的主要因素有：梁的约束状况、荷载的形式以及组合梁的长 度与跨度的比值。近些年，聂建国教授对钢一混凝土组合梁又进一步研究了有 端横梁约束的简支单向组合梁板体系的有效宽度，在这种结构体系中，端横梁对 组合梁的有效宽度有很大影响，由于在横向荷载作用下，剪力连接件的约束，翼缘 板中存在剪力滞后现象【1 4 l 【1 5 】。郑州大学也利用了计算机数值模拟的方法对简支 钢一混凝土组合梁进行了一系列的分析，分别考虑了宽跨比、混凝土的强度等 级、混凝土板的厚度、荷载的作用形式、剪力连接件的连接程度、钢材的屈服 强度等因素对钢一混凝土组合梁有效宽度的影响，并对组合梁在塑性阶段的有 效宽度的取值进行了有效的建议【1 4 1 。苏州科技学院，江苏省结构工程重点实验 室对钢一混凝土组合梁的有效宽度进行了实验和理论研究，分析了承载力极限 状态下和弹性极限状态下混凝土板的受力，提出钢一混凝土组合梁栓钉剪力连 接程度不同情况下的取值方法和在极限状态下有效宽度取值【1 6 】。 国内外专家们做了大量的研究，中国规范f 1 7 】【1 8 】、英国b s 5 4 0 0 规范、加拿大 规范、日本规范、美国a s c e 规范【1 9 1 、欧洲( e u r c o d e 4 ) 规范【2 0 】对钢一混凝土组合 梁有效宽度也有着不同的规定，尽管各国规范在很多情况下的规定极其相近， 任表现为考虑有不同的因素和给出了不同的表达形式1 2 l 】瞄】。 1 3 2 钢桁架一混凝土组合梁有效宽度研究简介 钢桁架一混凝土组合梁是由钢桁架梁和混凝土板通过剪力连接件连接，从 而达到共同受力、变形协调的一种梁。这种梁中的混凝土板有利于提高钢桁架 的刚度，降低梁高；有利于减小构件的界面尺寸，节省钢材，减小上部结构的 自重；有利增加结构的稳定性、整体性和抗震性能 2 3 1 。但是这种结构在施工时， 连接件的施工难度较大。 7 l 绪论 钢桁架一混凝土组合梁最先在二十世纪六十年代开始有所发展，当时主要 是应用于大跨度的桥梁，在国外的有德国修建的富尔达长塔桥、伊萨里河双线 铁道桥；日本的岩柜石岛大桥、黑岛大桥和第三千曲川桥等【2 4 】；然而我国在钢 桁架组合梁的研究开始较晚，应用也比较少，在2 0 世纪末，中国香港建成了 青马大桥和2 0 0 0 年我国内陆建成了主跨3 1 2 m 芜湖长江大桥之后，钢桁架一混 凝土组合结构在我国的应用也越来越多【2 5 1 1 2 6 。近些年，随着我国的国力增强， 基础设施建设的发展，由于钢桁架一混凝土组合结构受力性能和其综合性能比 较突出，钢桁架一混凝土组合结构不仅用在桥梁，在工业厂房和民用大跨度房 屋上也有了大量的应用。钢桁架一混凝土组合梁的受力性能随着其跨度的增加， 也越来越复杂。目前在国内外学者们常用实验方法、有限元数值分析法、解析 计算等方法对钢桁架一混凝土组合梁的有效宽度问题进行了研究【1 8 1 1 2 7 f 2 8 】【2 9 1 。 由于钢桁架一混凝土组合梁的结构形式有些特殊，在混凝土板下部为钢桁 架，其受力形式与其它型钢一混凝土组合梁有些不同，并且在不同的钢桁架形 式下，构件的受力性能也有较大的差别。目前虽然在钢结构设计规范 ( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 中包含有对于实腹式钢梁组合梁的有效宽度取值的规定，但 这种计算方法是否适合于钢桁架一混凝土组合梁，尚没有明确的结论。因此， 展开对钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的研究十分必要，这也是设计部门非常 关注的问题之一。 1 4 本文的研究工作和研究思路 综上分析我们得知在现阶段，钢桁架一混凝土梁在工业、民用建筑和基础 设施中应用的越来越多，而国内外对钢桁架一混凝土组合结构的研究相对还较 少，对钢桁架一混凝土组合梁中混凝土板有效宽度的研究也是不够完善。本文 研究的主要工作是： l 、利用计算机有限元软件建立合理的钢桁架一混凝土组合梁有限元模型。 2 、研究不同因素对单榀简支钢桁架一混凝土组合梁中混凝土板的有效宽度 的影响。 3 、不同参数对多榀简支钢桁架一混凝土组合梁中混凝土板的有效宽度的影 响。 4 、通过计算分析，给出平面式钢桁架一混凝土组合梁有效宽度的计算方法。 8 i 绪论 研究思路如下： l 、由于钢桁架在应用中多用于桥梁和大跨度的结构，所以在试验的时候有 很大的难度，即我们需要建立一个合理的有限元模型来对钢桁架一组合梁进行 分析。 2 、从经济的角度来说，在满足结构安全、可靠的前提下，尽可能降低材料 的使用量，即从不同的栓钉分布情况下研究钢桁架一混凝土组合梁的受弯承载 力，在满足组合梁承载力的前提下，尽可能减少栓钉的使用量。 3 、从安全角度来说，分别从钢桁架一混凝土组合梁的宽跨比、混凝土强度 等级、混凝土板厚、荷载的作用形式、钢材屈服强度等因素考虑，模拟出各种 因素对单榀和多榀钢桁架一混凝土组合梁混凝土板有效宽度的影响。 4 、从实际应用角度来说，一般结构使用的是多榀钢桁架一混凝土组合梁， 即建立多榀钢桁架一混凝土组合梁来计算混凝土板的有效宽度。从而得到一些 对实际工程有参考帮助的结论。 9 2 钢桁架一混凝土组合梁有限元模型的建立 2 钢桁架一混凝土组合梁有限元模型的建立 2 1引言 钢桁架一混凝土组合梁主要是由钢筋混凝土板、剪力连接件和钢桁架组成。 这种结构主要是应用于大跨结构中，特别是在公路、桥梁和大跨铁路中应用的 比较早。随着社会的发展，人们生活的需要，钢桁架一混凝土组合梁在公共建 筑中和民用建设中也逐渐得到了应用，如：会议厅、图书馆等。 由于钢桁架一混凝土组合结构主要是用于较大跨度的工程中，结构组成相 对比较复杂，在运用试验的方法对其进行研究的时候难度比较大，现在工程中 一般用计算机数值计算的方法进行模拟，这样可以节省大量的人力、物力和财 力。 2 2 钢桁架一混凝土组合梁有限元模拟方法 现在有限元模拟的软件比较多，其中能对钢筋混凝土进行较好模拟软件有 a n s y s 、a d i n a 、m a r c 、a b a q u s 等。这些软件能够较好的对钢筋混凝土结 构进行非线性模拟。本文主要运用有限元a n s y s 软件对钢桁架混凝土组合 梁的分析。 a n s y s 软件在进行有限元分析的时候主要是包括三个过程，即前处理过程、 加载求解过程和后处理过程【3 0 】【3 1 】【3 2 】。 2 2 1 前处理过程 前处理过程中主要包括参数定义和建立有限元模型。在进行有限元模拟的 时候需要进行相关参数的定义，根据工程实际主要定义：单位、单元类型、材 料模型及其特性参数【3 3 】。 l 、单元类型的选择和应用 本文中有限元a n s y s 软件在模拟钢筋混凝土的时候选用s o l i d 6 5 单元【3 4 1 ， 单元几何模型如图2 1 。s o l i d 6 5 是一种比较常用的单元，可以用来模拟钢筋混凝 土也可以只模拟混凝土，同时能够反应出混凝土材料压碎、开裂等力学现象。 1 0 2 钢桁架一混凝士组合梁有限元模型的建立 在模拟钢筋混凝土的时候，s o l i d 6 5 单元可以看作是由弥散钢筋单元组成的整体 式的钢筋混凝土模型，可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的角度、位置、 配筋率等参数3 2 1 。 k 图2 1 s o l i d 6 5 单元几何图示 l 链糍终选域 在用s o l i d 6 5 模拟组合梁中混凝土板时，需要提供以下参数： 1 、材料模型的定义；建立材料模型时需要定义钢筋和混凝土材料的弹性模 量、泊松比以及其密度，如在模拟c 3 0 混凝土时弹性模量为3 1 0 4 m p a 、泊松 比为0 2 、密度为2 5 0 0 k g m 3 。 2 、实参数的定义；在定义s o l i d 6 5 单元时需要给出单元在三维空间中各个方 向的钢筋材料编号、位置、配筋率和角度，但当钢筋布置比较复杂的时候，一 般采用整体式钢筋混凝土模型。本文中在模拟钢桁架一组合梁时采用的就是整 体式有限元模型。 3 、数据表的定义；在定义混凝土的时候不但要定义混凝土的应力应变关 系还需要定义它的强度准则，如：单向拉压强度或多向拉压强度等等。 在使用s o l i d 6 5 单元时需要注意一些问题： 1 、在用s o l i d 6 5 模拟混凝土的时候，由于其单元本身是依据弥散裂缝模型和 最大拉应力开裂，所以在混凝土受到较大的集中力的时候可能会由于应力集中 而提前破坏导致与预期结果有所偏差。对于这种情况，可以通过调整网格大小 进行控制。 2 、在划分网格的时候，应尽量划分成六面体，六面体单元比四面体单元在 有限元计算时更容易收敛。 3 、选择恰当的收敛标准，当使用力加载的时候可以选用残余力的第二范数 受一 2 钢桁架一混凝士组合梁有限元模型的建立 控制收敛；当选用位移加载的时候最好选用位移的无穷范数控制收敛。在计算 有裂缝或结构破坏的情况下，为了保证计算的连续性，可以适当的增大收敛的 标准或控制条件。 有限元a n s y s 软件在模拟钢桁架梁的时候，上弦钢翼缘板一般选用壳单 元，在本文中模拟钢翼缘板时用的是s h e l l 4 3 单元，单元几何模型如图2 2 。这种 单元具有塑性、应力刚化、蠕变、大应变和大变形的特点，适合模拟弯曲、线 性及适当厚度的壳体结构【3 2 1 。 ，q 轴 j 图2 2s h e l l 4 3 单元几何示意图 在用s h e l l 4 3 单元模拟组合梁中钢梁翼缘时，需要提供以下参数： 1 、实参数的定义，s h e l l