【《钢-混凝土组合梁桥梁的设计计算研究国内外文献综述》5800字】

钢-混凝土组合梁桥梁的设计计算研究国内外文献综述目前，国内外关于钢-混凝土组合梁桥梁的设计计算一般包括两个方面：一方面是满足强度、刚度、稳定性的设计验算；另一方面是组合梁各构件满足疲劳寿命验算。在钢-混凝土组合梁的传统设计理念中，静力计算和疲劳计算往往不考虑它们之间的相互作用，对两者分别进行独立计算[9-10]。在疲劳设计中，通常假设直到结构达到疲劳寿命，其强度、刚度、稳定性都保持在初始静态值。事实上，在每一次疲劳荷载作用下，组合梁各构件(钢梁、混凝土板、连接件)均已发生不同程度且不可逆的疲劳损伤，而材料的疲劳损伤势必会对组合梁整体力学性能造成影响，其损伤不断积累，性能不断退化，进一步影响组合梁疲劳寿命[11]。所以对于装配式钢-混凝土组合梁的力学性能研究与设计计算，需要考虑反复荷载作用下组合梁力学性能不断变化的复杂情况。目前国内外学者主要通过理论分析、试验研究和有限元模拟研究组合梁的力学性能，本文主要对装配式钢-混凝土组合梁分别在静力荷载与疲劳荷载作用下，各项力学性能指标的变化进行研究。故与本课题相关的研究现状可以简单概括为：传统组合梁静力性能、传统组合梁疲劳性能及装配式组合梁研究现状。传统组合梁静力性能从上个世纪20年代起，国内外学者对钢-混凝土组合梁进行了大量的试验和理论研究，其中大部分研究工作是关于钢-混凝土组合梁静力性能的研究[12-14]。1912年，Andrews[15]首次提出，将受拉钢筋截面面积换算成能承受相应拉应力的混凝土面积，即换算截面法，这种方法计算简便，但由于其局限性，只适用于弹性阶段。不过换算截面法的提出对钢-混凝土组合梁的研究还是起到了极大的推动作用。到了20世纪40年代，N.M.Newmark完善了换算截面理论，提出了“不完全交互”理论，但“不完全交互”理论也具有一定的局限性，其非常复杂的计算过程难以适用于实际工程计算[16]。最早关于钢混组合梁的正式试验是在1923年，加拿大学者Gilespie、Leluau、Maeka以T型钢-混组合简支梁为研究对象进行了试验[17]。他们的试验研究表明：当钢板梁与混凝土板之间的粘结力小于钢-混凝土节点面所需剪力，钢-混凝土节点面就会产生相对错位，进而导致组合梁损伤。19世纪50年代，N.M.Newlnarkle对钢混界面滑移也进行了研究，他使用解析法计入钢混结合面滑移效应对钢混组合梁力学性能的影响，得到了组合梁结构承载力计算公式、结合面剪力滑移计算公式、组合梁截面应力和应变计算公式、、[18]。后来，许多学者对组合梁连接件在组合梁中的作用又有了新的探索与研究，1965年，Driscoll和Slutter通过试验发现：剪力连接件的极限抗剪能力对组合梁极限承载力有着很大的影响[19]。80年代，Oehlers[20]进行了推出试件静力试验，发现连接件的刚度随着混凝土强度增大而变大。21世纪初，KimJ-H[21]通过推出试验发现垫层的厚度对连接件的极限强度有很大影响，垫层厚度增大，连接件的极限强度减小，从而进一步提出了连接件极限强度修正公式。本世纪开始，我国各专家学者开始对组合梁进行大量的研究和试验。2000年，聂建国等研究者对简支单向组合梁-板体系在横向荷载作用下翼缘板中存在剪力滞后现象，拟合出了有效宽度的简化计算公式[22]，通过试验对预应力组合梁的承载力和刚度进行分析，提出了相关理论公式[23]。2005年，戴益民等[24-25]通过推出试验和组合梁试验研究，发现剪力槽孔的形状对栓钉受剪承载力有影响，方形剪力槽孔中栓钉受剪承载力更高；完全抗剪连接与部分抗剪连接组合梁的极限承载力相差不大，但是滑移与挠度量，部分抗剪连接组合梁要大于完全抗剪连接组合梁。2012年，Xu等[26-28]通过试验研究组合结构预埋栓钉群的抗剪性能，发现焊钉排数对试件弹性刚度的影响较小，而对塑性阶段的刚度影响较大。2014年，丁发兴等[29]通过栓钉连接件推出试验，并结合有限元软件进行推出试验参数化数值分析，发现实际试验结果与有限元计算结果较吻合，栓钉的直径、屈服强度和混凝土的强度对栓钉连接件的抗剪承载力有较大影响因素。2019年，余浩瀚等[30]同样利用ABAQUS软件对组合梁连接件抗剪承载力进行分析，发现栓钉连接件的剪切承载力和最大滑移随着栓钉直径和屈服强度的增加而线性增加，并且可通过增加栓钉直径和屈服强度的做法提高连接件的抗剪能力。同年，侯帆[31]研究了钢混组合梁横向分布及抗弯承载能力计算方法，发现横面板厚度的增大确实可以起到降低横向分布系数的作用，但桥面板厚度增加到一定程度时，边中梁横向分布系数降低并不明显。传统组合梁疲劳性能组合梁在使用过程中，随着荷载的不断作用，其内部结构发生微小变化并不断累积，导致组合梁各性能也在不断变化。故在组合梁研究中，不单单要考虑其静力性能，还要进一步研究其疲劳性能。在上个世纪20年代，日本发生关东大地震，日本学者在震后的调查研究过程中发现，在地震中，钢混组合结构构造物比非组合结构形式的构造物遭受的破坏程度要小许多[32]。这表明：在地震等反复荷载作用下，组合结构比起非组合结构具有更高的耐久性[33]。1995年，Albrecht等人对预应力钢-混凝土组合梁的疲劳问题进行了研究[34]，得到组合梁疲劳寿命计算公式。同年，KrigeGJ和MahachiJ研究了压型钢板组合板的疲劳性能[35]，试验结果表明，组合板的抗疲劳性能受荷载幅和疲劳荷载上限影响，在荷载幅较大时表现出较差的抗疲劳性能，在疲劳荷载上限超过极限承载力的50%时，抗疲劳性能同样急剧下降。次年，R.P.Johnson和DJ.Ochlers教授对钢-混凝土组合梁试件进行了疲劳试验，得到了钢-混凝土组合梁疲劳试验的结果，并将其与《欧洲规范》中的相关规定进行比较，得到了更完善的钢-混组合梁疲劳寿命计算公式[36]，其计算公式在后来的钢-混组合梁设计之中被广泛使用[37]。1997年，GubanaA、GattescoN和Giuriani对部分抗剪连接的组合梁的疲劳性能开展了试验研究，通过试验结果得出，在对承受较大荷载的部分抗剪连接组合的情况下可以用“应变-疲劳寿命”方法来代替传统的计算方法[7]。2000年，美国学者Johnson总结分析了历年专家学者关于栓钉连接件的疲劳试验[38]，归纳出“EC模型”、“BS模型”、“最大疲劳荷载模型(Peakloadmodel)”三种不同的栓钉疲劳寿命计算模型。2006年HanswilleGerhard等人对承受单向循环荷载的栓钉，其疲劳寿命和静力强度的折减进行了研究[39-40]，他们发现当加载次数为疲劳寿命的10%～15%时，栓钉根部的混凝土初始裂缝开始扩展并使栓钉强度降低。上个世纪，受到我国经济发展状况的限制，国内关于钢-混凝土组合梁的研究较少，而且大多不够系统、不够充分，钢-混凝土组合梁的应用在国内的范围十分局限。在20世纪末，我国才第一次对钢-混组合梁的进行系统的试验研究。1990年，郑州工学院的师生通过对钢-混凝土组合梁进行大量疲劳试验，得出了钢-混凝土组合梁的疲劳寿命计算公式[41]。从此，拉开了国内大学对钢-混凝土组合梁大量研究的序幕。预应力钢-混凝土组合梁疲劳性能的研究是在，20世纪末，由西南交通大学的车惠民和福州大学的宗周红开展的[42]，他们通过试验得出结论：因为预应力的施加，钢梁的应力循环可能由单纯的拉应力循环转化为压应力循环或拉压应力循环，从而增强钢梁的疲劳强度。在疲劳阶段中，由于相对滑移的产生，混凝土板中的内力发生重分布现象，内力会向钢梁方向重分布，这导致组合梁正弯矩区截面刚度下降，而负弯矩区截面刚度上升。21世纪初，清华大学李建军对部分抗剪连接组合梁的疲劳性能进行了研究，并得到了如下结论[43]：在疲劳加载过程中，组合梁的刚度下降，但下降速率不显著。在组合梁接近疲劳破坏时，截面刚度迅速下降，受弯承载力也随之下降。组合梁的残余挠度随疲劳加载次数的增加而增大。2005年，清华大学聂建国、袁西贵进行了叠合板组合梁的疲劳试验。给出了不同破坏形态下叠合板组合梁疲劳寿命设计计算方法，并提出了两种破坏形态相应的疲劳寿命实用表达式[44]。2009年，聂建国、王宇航[45]等人考虑了各种因素对疲劳荷载作用下的钢-混凝土组合梁变形的影响，推导出了疲劳荷载作用下钢-混凝土组合梁的变形计算公式。同年，丛龙军采用ANSYS软件[46]对组合梁进行研究，发现组合梁在特定加载条件下疲劳累积损伤变量随混凝土的强度、钢梁高度和混凝土翼板厚度的增加而下降，随组合梁跨度的增加而增加。姜绍飞、王鹏等人也采用有限元软件对组合梁的疲劳性能进行模拟计算与研究[7]，结果表明：混凝土强度、配筋率、应力幅值是影响组合梁疲劳寿命的重要因素，其中配筋率对组合梁寿命的影响比混凝土抗压强度影响更显著。2013年，荣学亮等[47]进行了栓钉连接件锈蚀后静力性能和疲劳试验，其试验结果表明，栓钉根部的锈蚀和头部的锈蚀对栓钉极限承载力的影响并不相同，其根部锈蚀对极限承载力影响很大，而头部的锈蚀并无影响，但是不论是头部锈蚀还是根部锈蚀对栓钉连接件的疲劳寿命影响都很大。近年，不少学者对钢-混凝土组合梁的振动方程也有研究。2014年，侯忠明等[48]建立了考虑界面滑移和阻尼作用的钢-混凝土组合梁的振动方程，基于分离变量法推导出组合梁自振频率和振型的理论解，并验证了振型的正交性。2017年，张彦玲等[49]进行了钢-混凝土组合箱梁的自振特性试验和强迫振动试验，试验结果表明，组合箱梁跨中动挠度和结合面滑移均值主要受静荷载影响，滑移幅值主要受荷载幅值影响，而跨中加速度主要受荷载频率和荷载幅值影响。装配式组合梁研究现状装配式组合梁是将预制混凝土板和钢梁通过剪力连接件连接形成的组合结构，具有预制装配，快速施工的特点，符合建筑工业化的发展进程。目前国内外对于装配式组合梁的研究相对较少，其重点研究对象是装配式组合梁中剪力连接件的性能。在受力过程中，随着剪力连接件的变化，会进一步影响整体组合结构的性能。与传统组合梁研究方式一样，国内外专家、学者多是从静力、疲劳两方面对装配式组合梁进行研究。21世纪初，Shim等[50-51]对装配式组合梁中剪力连接件的抗剪性能进行研究，通过静力与疲劳荷载下的梁式试验和推出试验发现，装配式混凝土板组合梁中的剪力连接件比现浇混凝土组合梁中的剪力连接件具有更好的延性，剪力连接件的承载力受底部垫层厚度影响，垫层越厚承载力越低，预制板横向接缝处的裂缝可以通过增加预应力来控制。2005年Ryua[52]对预制板组合梁的裂缝进行研究，通过足尺钢-预制混凝土板组合梁模型试验，发现由于新旧混凝土间存在界面，预制混凝土板组合梁比普通现浇混凝土板组合梁更早出现裂缝，而且前者的初始裂缝宽度比后者更宽，所以对与预制混凝土板组合梁，其钢梁与混凝土界面的清洁和处理十分重要，同时，如果预制混凝土板组合梁的施工缝处理不当，会进一步影响裂缝宽度，造成开裂加深。2012年，苏庆田等[53]通过对预制连续组合箱梁的静力试验发现预制连续组合箱梁比普通连续组合梁具有更好的承载力，正常使用状态下，预制预应力混凝土板连续组合箱梁的极限荷载是普通连续组合粱的2.61倍，初始开裂荷载是普通连续组合粱的3.16倍，若施加相同预应力，前者开裂弯矩是后者的1.54倍。2014年，Chen等[54]为研究预制组合梁剪力连接件的抗剪性能，进行了静力荷载下的推出试验，试验考虑了钢梁和混凝土接触面性能不同造成的影响、以及不同螺栓直径、不同预张力情况下的影响，结果表明，双头螺栓的抗剪承载力与普通栓钉抗剪承载力十分接近。次年，马增[55]针对装配式钢-混凝土组合箱梁桥进行研究，发现剪力连接度对装配式组合梁的受弯性能有影响，不同剪力连接度的组合梁，在弹性受力阶段截面应变分布都较符合平截面假定。2016年，林广泰[56]对两种混凝土板形式的钢-混凝土组合梁进行了疲劳试验，探讨钢-预制混凝土板组合梁与钢-现浇混凝土板组合梁的差异性，研究钢-混凝土组合梁在疲劳作用下的刚度退化规律。试验结果表明：在疲劳作用下，钢-现浇混凝土板组合梁的刚度下降速度比钢-预制混凝土板组合梁较慢；栓钉滑移变形与组合梁挠度增加都呈现一定的线性变化趋势。2017年，钟琼[57]进行预制装配式钢-混凝土组合梁梁式试验，通过试验发现，栓钉的直径对组合梁界面滑移量和混凝土板裂缝有影响，栓钉直径增大，界面滑移量也就越大，同时混凝土板的裂缝也会变多，栓钉连接件承载力与是否采用波纹管成孔无关系。同年，刘界鹏[58]对现浇混凝土板与预制混凝土板，两种装配式钢-混凝土组合梁中的栓钉受力性能进行研究，通过试验得到了现两种组合梁中的栓钉受剪承载力大小，并发现所有试件的破坏，均是发生在栓杆剪断和栓钉根部焊缝破坏。2021年，刘汗青等[59]通过试验发现，预留孔连接构造装配式组合梁与现浇组合梁在静力加载下的破坏形态相同；装配式组合梁的组合效应良好，与现浇梁有相似的界面滑移；装配式组合梁的极限承载能力较高于现浇组合梁。以上试验研究大多是针对装配组合梁的剪力连接件的性能变化，对装配式组合梁整体力学性能变化研究较少，本文将对此进行研究，探究装配式组合梁在疲劳荷载作用下的整体力学性能变化。参考文献张宏,罗佳宁,丛勐,刘聪.钢筋混凝土建筑工业化建造技术的发展方向[J].城市住宅,2017,24(10):107-110.纪颖波.建筑工业化发展研究[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.张子飏,邓开来,徐腾飞.预制装配式混凝土桥梁结构2019年度研究进展[J].土木与环境工程学报(中英文),2020,42(05):183-191.钱坤,湛萌.装配式结构在建筑工业化中的发展[J].四川建材,2017,43(07):42-43.林树枝.装配式桥梁的应用前景分析[J].建设科技,2021(02):35-39.聂建国,王宇航.钢-混凝土组合梁疲劳性能研究综述[J].工程力学,2012,29(06):1-11.姜绍飞,王鹏,吴兆旗.钢-混凝土组合梁疲劳性能的有限元分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2009,25(01):111-115.史先进.钢-混组合梁的疲劳问题研究综述[J].住宅科技,2009,29(09):58-60.AASHTO.AASHTO-LRFDbridgedesignspecifications.AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials,Washington,DC,2007.Eurocode4.Designofcompositesteelandconcretestructures一Part2:Generalrulesandrulesforbridges,EN1994-2.Brussels:EuropeanCommitteeforStandardization;2005.李莉,谢里阳,何雪滚,等.疲劳加载下金属材料的强度退化规律[J].机械强度,2010,32(6):103-107.ZonaA,RagniL,DallAA.Finiteelementformulationforgeometricandmaterialnonlinearanalysisofbeamsprestressedwithexternalslippingtendons[J].FiniteElementsinAnalysisandDesign.2008,44(15):910-919.SalariMR,SpaconeE.Finiteelementformulationsofone-dimensionalelementswithbond-slip[J].EngineeringStructures.2001,23(7):815-826.MatusRA,JullienJF.AnExperimentalandAnalyticalStudyofaNewShearConnectorforCompositeSteel-ConcreteBeams[J].1996,22(4):413-418.Johnson.R.P.钢-混凝土组合结构M]．胡少伟译．郑州:黄河水利出版社，2005.陈斌.钢与混凝土组合梁受力性能分析[D].湖南大学,2008.肖林,强士中,李小珍,卫星.考虑开孔钢板厚度的PBL剪力键力学性能研究[J].工程力学,2012(08).N.M.Newmark,C.P.Siess,L.M.Viest,Testsandanalysisofcompositebeamswithincompleteinteraction[J].ExperimentalStressAnalysis,1951(01).R.G.Slutter,G.C.Driscoll.Flexuralstrengthofsteel-concretecompositebeams[J].ASCEJournalofthestructuaralDivision,1965.OehlersDJ,CoughlanCG.Theshearstiffnessofstudshearconnectionsincompositebeams[J].JournalofConstructionalSteelResearch.6(1986):273-284..KimJ-H，ShimC-S,Matsuis,ChangS-P.Theeffectofbedding