【钢-混凝土组合梁桥结构性能研究的国内外文献综述4200字】

钢-混凝土组合梁桥结构性能研究的国内外文献综述19世纪70年代初，钢-混凝土组合桥梁第一次在英国出现，这种新型桥型可以充分发挥钢材和混凝土和混凝土的优良性能。直到20世纪20年代初，世界上最早的钢-混凝土连续组合梁实验研究始于加拿大Machay等人[3，4]的研究，并于1923年发表了研究结果。钢-混凝土连续组合梁的概念被首先提出，这对于钢-混凝土连续组合梁系统研究的开始具有划时代的意义。到30年代末，美国，英国，法国，德国，瑞典和其他国家也进行了相关的实验研究，并首次尝试使用剪力连接件。自此，钢-混凝土组合梁的设计理论逐渐完善。1.1钢-混凝土组合梁桥承载力研究现状表1-2世界各国学者对钢-混凝土组合梁桥承载力的研究成果Table1-2Researchresultsofthebearingcapacityofsteel-concretecompositebeambridgesbyscholarsfromallovertheworld序号时间研究学者研究成果11965年R.G.Slutter和R.G.Driscoll[5]提出极限抗弯强度的计算方法21982年Johnson[6]提出纵向抗剪强度的计算方法31991年Johnson[7]提出部分抗剪连接钢-混凝土连续组合梁的强度和变形的计算方法41993年Taplin[8]对钢-混凝土组合梁加载单调荷载与加载周期反复荷载进行对比试验，结果显示：单调荷载作用下，栓钉的延性将会引起一定的滑移，极限状态下的栓钉内力因此而发生重分布现象；重复荷载作用下，钢-混凝土连续组合梁的承载力会下降约47%。试验研究给出了每个循环加载与滑移增长率之间的关系。51997年J.Y.RichardYen[9]设计了44根钢-混凝土连续组合梁进行静力和疲劳性能试验，对钢-混凝土连续组合梁设计中所考虑的因素，如栓钉数量、剪力连接程度、配筋形式、疲劳荷载水平和幅度分别进行分析，得出钢丝网片配筋优于钢筋配筋，剪力连接程度达到80%的试件和完全剪力连接程度的时间没有差别的结论。62001年ChristopherHiggins[10]对两种不同形式的剪力连接件压型钢板组合梁原型的静载和疲劳承载能力进行了试验研究72003年J.W.Park[11]对有洞口的钢-混凝土组合梁进行了试验研究，对挠度、极限承载力进行了相应的理论分析81999年聂建国[12]设计了４根组合梁的纯扭试验，并结合SinghRK等[13]所做的４根组合梁的试验结果，对组合梁受扭后的破坏形态进行了分析。根据软化桁架模型理论，在协调、变形和平衡条件下，建立了关于组合梁抗扭特性分析的方程式，并给出了一种计算组合梁抗扭特性（抗扭强度、扭转角、开裂角、钢筋和混凝土应力、应变等）的简化算法。92001年回国臣[14]通过试验分析，建议在计算组合梁抗剪承载力时考虑混凝土剪板的抗剪能力，并推导了考虑混凝土翼板抗剪承载力的组合截面抗剪承载力计算公式102015年刘洪波、邵永松等[15]通过ANSYS对变腹板高度组合梁在均布荷载作用下的受力性能进行详细的分析，得到了不同跨度下组合梁的应力分布云图，并将变腹板高度组合梁的刚度和承载能力与等截面组合梁进行对比，确定了刚度和承载能力的简化计算公式。1.2钢-混凝土组合梁桥刚度研究现状表1-3世界学者对钢-混凝土组合梁桥刚度研究成果Table1-3Worldscholars'researchresultsonthestiffnessofsteel-concretecompositebeambridges序号时间研究学者研究成果11912年E.S.Andrews[16]首先提出了沿用至今的换算截面法，根据钢材和混凝土弹性模量之间的关系将组合截面换算为单一材料进行计算。该方法被《钢结构设计规范》（GBJ16-1988）采用。2Timoshenko用Euler-Bernoulli梁理论对混凝土面板与钢梁进行分析，通过约束使其横向位移相等，进一步发展了组合梁设计理论31951年Newmark等[17]开始着眼于组合梁的结合面基本性能，提出了考虑结合面滑移的“不完全交互理论”41975年R.P.Johnson[18]根据试验所得结果和组合梁连接抗剪切能力的程度，提出了通过对完全连接组合梁刚度与完全无粘结钢-混凝土连续组合梁刚度之间进行1/2次幂内插来求得部分抗剪连接组合梁的刚度计算方法。该方法被美国钢结构设计规范（1994年版）借鉴用来计算组合梁的等效抗弯刚度51981年LloydC.P.Yam[19]根据平衡关系和变形协调条件推导了组合梁的控制微分方程61989年陆小华等[20]通过考察混凝土的应力-应变曲线，指出在计算组合梁的挠度取固定的混凝土弹性模量进行换算时所存在的混凝土刚度取值问题。并在假定已知混凝土应力-应变关系的前提下，推导了在短期荷载作用下考虑混凝土非线性本构的刚度修正公式，指出考虑混凝土非线性的影响使组合梁在弹性极限处挠度比按线性计算增加了约10%。71994年David[21]针对部分抗剪连接组合梁挠度计算提出了“线性插值法”，即在完全抗剪连接组合梁与纯钢梁计算的挠度之间插值得到81994年聂建国等[22]在建立相对滑移微分方程的基础上对组合简支梁在不同荷载作用下因滑移引起的附加变形进行研究，得到了附加变形的理论计算公式，并对其进行简化与修正。在此基础上1995年提出了组合梁挠度计算中考虑剪切滑移效应的折减刚度法[23]。该方法被《钢结构设计规范》（GB50016-2003）采用。91998年张莉华[24]在折减刚度法基础上，对完全抗剪连接组合梁与纯钢梁的挠度进行二次拟合，得到部分抗剪连接组合梁挠度计算公式102003年CaiCS[25]提出了组合梁在不同荷载作用下的滑移通用公式，并与试验作对比，指出考虑滑移影响的部分抗剪连接组合梁的挠度更接近实际值112003年蒋丽忠等[26、27]对组合梁在均布荷载及集中荷载作用下的滑移及其对挠度变形理论计算的影响进行了研究，推导得到了钢-混凝土连续组合梁的界面滑移和挠度变形计算的解析公式。122005年王景全等[28]通过应力等效方法分别推导了无剪力连接与完全剪力连接组合梁的组合系数，将无剪力连接、部分剪力连接和完全剪力连接组合梁挠度计算统一起来。132007年G.Fabbrocino[29]通过Timoshenko梁理论，考虑剪切变形的影响，得到了均布荷载作用下组合梁挠度解析解。142008年童根树等[30]指出按照《钢结构设计规范》（GB50016-2003）计算组合梁考虑滑移后的折减刚度时，会遇到销钉数量增加、刚度反而下降的现象，提出了新的折减刚度表达式，引入了组合系数来表征钢和混凝土轴压刚度通过剪力连接件的组合作用程度152010年胡夏闽等[31]在试验研究的基础上，以钢-混凝土连续组合梁微段为受力单元，推导了不同荷载作用下截面附加曲率方程，并根据曲率等效原则，提出了考虑结合面相对滑移的钢-混凝土连续组合梁截面刚度计算公式162012年李巍峰[32]基于弹性理论，在考虑剪切滑移效应情况下，建立了钢-混凝土连续组合梁刚度解析计算方法，指出截面等效刚度受到销钉剪切刚度、剪切滑移的影响，在栓钉距离较大时，钢-混凝土连续组合梁刚度和折减刚度之间有不可忽略的差值172013年徐荣桥等[33]在总结部分抗剪组合梁挠度计算方法的基础上，通过对均布荷载作用下两端简支组合梁挠度的对比分析，提出了可以考虑边界条件影响的折减刚度法。1.3钢-混凝土组合梁桥规范的演变通过多年的理论和实践准备，1971年，在国际土木工程师协会联合委员会的主持下，欧洲国际混凝土协会（CEB），欧洲钢结构协会（ECSS）和国际预应力联合会（FIP）和国际桥梁与结构工程协会（IABSE）共同组成了组合结构委员会，并在1981年发布了正式的《组合结构规程》[34]。在此规范的基础上，经过修改和补充，欧洲共同体于1985年首次正式颁布了欧洲规范，这是目前世界上最完整的组合结构规范，并做了相当全面的总结。这些规范和规程都含有大量钢-混凝土组合桥梁的设计细则及施工标准。在我国的相关规范中，也在不断完善组合梁的相关内容。见表1-4。表1-4国内各主要规范对组合梁内容的修订成果Table1-4Theresultsoftherevisionofthecompositebeamcontentinmajordomesticcodes序号时间规范名称规范中关于组合梁内容的修订11974年公路桥涵设计规范首次提到了钢-混凝土组合梁设计的概念21988年钢结构设计规范[35]首次将“钢与混凝土组合梁”列为单独一章，标志着钢-混凝土组合梁结构在我国的应用已被广泛使用。规范中涉及钢-混凝土组合梁的规定主要参考和借鉴了相关的国外规范32003年钢结构设计规范[36]进一步丰富和拓宽了组合梁的内容。增加了叠合板组合梁和连续组合梁的设计内容，并吸收了近年来我国组合梁研究和应用的最新成果，首次在国内外采用折减刚度法计算组合梁的刚度随后建设部和交通部又相继出版了《钢-混凝土组合桥梁设计规范》[37]、《公路桥涵养护规范》[38]、《公路钢结构桥梁设计规范》[39]、《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[40]等。规范，规程及行业标准的制定和完善有助于规范钢-混凝土连续组合梁设计和施工流程，保证结构的安全性和可靠性，同时行规引入最新科研成果，减少了相关结构推广的技术障碍。1.4世界各国钢-混凝土组合梁桥的成果举例国外最早的组合结构大都用于桥梁结构，下面列举具有代表性的世界上的组合结构桥梁，见表1-5：表1-5世界上的组合结构桥梁举例Table1-5Examplesofcompositebridgesintheworld序号所属国家组合结构桥梁名称建成时间跨径1瑞典斯曹松特桥1955年182m2德国比歇瑙尔桥1955年58.8m3日本腾濑桥1960年128m4英国新港桥1964年152m5美国锡卡特港桥1971年137m6加拿大安纳西斯桥1986年465m迄今为止，世界上一些发达国家的钢结构桥梁占比都很高，而我国钢结构桥梁的发展尚处于开始阶段，先将国内的组合结构桥梁举例如下，见表2-3。表1-6中国的钢混组合结构桥梁举例Table1-6Examplesofsteel-concretecompositebridgesinChina序号桥梁名称建成年份跨径结构形式图片1武汉长江大桥1957年3×3×128米上层公路桥采用钢-混凝土组合梁结构见图1-12上海南浦大桥1991年主跨423m加劲梁采用了钢-混凝土组合梁结构见图1-23上海杨浦大桥1993年主跨602m钢-混凝土组合梁结构无图4芜湖长江大桥2000年正桥主跨达312m预应力混凝土板与钢桁组合梁见图1-35上海东海大桥2005年主通航孔跨径830m双塔单索面钢箱-混凝土组合梁斜拉桥见图1-46武汉二七长江大桥2011年非通航孔跨径6×90m钢-混凝土组合连续梁无图7杭州九堡大桥2012年主跨630m连续组合梁-钢拱组合体系拱桥无图8港珠澳大桥2018年浅水区非通航孔每跨85m部分采用钢-混凝土连续组合梁结构无图9福州三江口大桥2019年主跨240m空腹式钢-混凝土连续组合梁桥见图1-5主要参考文献[1]交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见[J].公路,2016,61(08):271-272.[2]中国加速迈入“钢桥时代”[J].中国冶金报,2017,08(08).[3]I.M.Viest:Reviewofresearchoncompositesteel-concretebeams,JournalofStructualDivisionASCEJune,1960.[4]J.P.Cook:CompositeConstructionMethods,1977.[5]SlutterRG,DriscollGC.Flexuralstrengthofsteel-concretecompostitebeams[J].JournaloftheStructuralDivision(ASCE),1965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