【《钢混组合结构的应用和研究现状概述文献综述》4600字】

钢混组合结构的应用和研究现状概述文献综述组合结构应用十分广泛，且很早便应用于桥梁结构当中，从最初传统意义上的组合板梁、箱梁、组合桁梁等组合结构形式，发展到今日的钢与混凝土在横向、纵向组合的结构形式，应用的桥型也从最初的梁桥发展到拱桥、斜拉桥和悬索桥等，组合形式涉及到桥梁的各个部件，包括主梁中应用较多的叠合梁、混合梁，拱肋常采用的钢管混凝土拱，大跨度斜拉桥、悬索桥采用的钢-混组合桥塔、混合桥塔与外包钢板形式的混凝土塔等等。本文将针对桥梁结构中应用较多的组合梁、钢管混凝土、钢混组合塔三方面对组合结构的应用和研究进行综述。组合梁的应用与研究现状钢-混组合梁最早便应用于桥梁结构中，苏联于1944年建成了第一座组合公路桥REF_Ref67126831\r\h[4]；德国于1956年建成跨径为58.8m的比歇瑙尔桥REF_Ref67126844\r\h[5]；日本分别于1960年和1975年建成跨径为128m的腾懒桥和跨径为83m的大阪大和桥；英国于1964年建成跨径为152m的新港桥REF_Ref67126946\r\h[6]；加拿大于1986年建成跨径为465m的安纳西斯桥REF_Ref67126965\r\h[7]等均采用了钢与混凝土组合梁。我国组合梁起步于建国初期，1956年铁道部编制了组合梁的标准图，在钢梁上放预应力钢筋混凝土槽形板，采用了角钢连接件，后又改用高强度螺栓连接，并成功地用于一些铁路和公路桥中，如乌山桥和武汉长江大桥的上层公路桥等。随后，从20世纪60年代开始，钢混组合梁被推广应用到一些工业建筑中。钢混组合梁的研究始于20世纪20年代，加拿大学者MackayHMREF_Ref67127073\r\h[8]在Domion桥梁公司进行了2根外包混凝土钢梁试验，预示着正式开始组合梁的相关研究。20世纪30年代后期，欧洲等一些国家针对组合梁做了大量的研究，并根据弹性理论建立了组合梁的相关计算方法。在40年代之后，广大学者们对剪力连接件的形式等方面展开了的系统和深入的研究REF_Ref67127220\r\h[9]REF_Ref67127221\r\h[10]。在组合梁的动力特性研究方面，Tapli和Gowda等REF_Ref67127293\r\h[11]REF_Ref67127295\r\h[12]对组合梁在反复荷载作用下的抗震性能进行了试验，研究了钢-混凝土组合梁在静力荷载和循环荷载作用下的荷载-变形滞回性能及剪力传递能力等。2000年，AyoubREF_Ref67127326\r\h[13]通过编写非线性程序对组合梁的抗震性能进行分析，并与试验结果进行比较，该模型能较好地模拟组合梁刚度退化和强度退化。在此同时，国外科学家对组合梁的静动力性能进行了深入、细致、全面的研究和应用。我国组合梁的研究起步较晚，1978年以来，原郑州工学院、原哈尔滨建筑工程学院和清华大学等单位先后对组合梁进行了研究应用，并取得了一系列成果。1999年，河海大学对剪力连接组合梁的试验研究表明，只要能够满足强度和变形能力，采用部分剪力连接设计效果更佳REF_Ref67127431\r\h[14]。之后随着组合梁的应用广泛，学者们开始重视钢混组合梁的动力特性研究，1998年，聂建国等REF_Ref67127476\r\h[15]进行了钢混叠合板组合梁在低周反复荷载作用下的试验研究；2005-2008年，中南大学蒋丽忠、余志武等REF_Ref67127513\r\h[16]对钢-混凝土组合梁在低周反复荷载作用下的抗震性能进行了一系列试验研究，对组合梁抗震性能进行了深入分析。2012年，李方方REF_Ref67127563\r\h[17]对某一钢-混组合箱梁桥的抗震性能进行了研究，探讨了剪力连接度与腹板高厚比对组合梁抗震性能的影响。2019年，祝松伟REF_Ref68622746\r\h[18]利用ABAQUS有限元分析软件建立了组合梁的微观有限元模型，分析了钢梁翼缘厚度、材料强度等因素对组合梁力学性能的影响规律。钢管混凝土的应用与研究现状钢管混凝土的出现已经有百年的历史，20世纪50年代前，欧美曾出现过一些采用钢管混凝土的工程，但数量很少。到了20世纪80年代，由于泵送混凝土技术的出现和应用，钢管混凝土结构步入了一个新的发展时期。如美国、前苏联、澳大利亚等国家，都建造了一些采用钢管混凝土柱的高层建筑REF_Ref67079966\r\h[1]。钢管混凝土技术在我国研究利用有近60年的历史，中国科学院土木建筑研究所从1959年开始研究钢管混凝土的基本性能及其应用，之后多家研究单位开始展开对钢管混凝土的研究，如哈尔滨建筑工程学院等REF_Ref67127742\r\h[19]。到现在为止，各大高校均展开了对钢管混凝土结构的深入研究，钢管混凝土结构技术也在中国得到了快速的发展，在很多高层建筑、地下工程、桥梁结构中都能够找到钢管混凝土结构的影子。例如：上海金茂大厦（如REF_Ref67126477\h图12所示）、广州南航大厦、广州丫髻沙大桥（如REF_Ref67126484\h图13所示）、重庆巫峡长江大桥等等。图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s12上海金茂大厦图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s13广州丫髻沙大桥FurlongREF_Ref67127780\r\h[20]是最早对钢管混凝土组合结构进行系统的试验研究的学者。2001年，IchinoseREF_Ref67127796\r\h[21]等研究了加载方式对钢管混凝土徐变的影响，加载方式分在钢管上加载、在混凝土上加载和在混凝土的组合面上加载，对8个圆钢管混凝土进行了为期280天徐变试验。1981年，Sakino和TomiiREF_Ref67127827\r\h[22]通过拟静力试验进行了15个方钢管混凝土压弯构件滞回性能的试验研究。2002年，AvalREF_Ref67127876\r\h[23]采用纤维模型法计算了钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的荷载变形关系曲线，研究结果表明，增强钢管和核心混凝土之间的粘结可适当地提高构件的承载能力和耗能能力。我国对钢管混凝土的研究也取得了一系列成果。1982年，汤关祚REF_Ref67127909\r\h[24]等人研究了钢管混凝土核心混凝土强度等级、不同长径比等因素对钢管混凝土基本力学性能的影响。1985年，蔡绍怀REF_Ref67127944\r\h[25]等人通过对51根钢管混凝土进行偏心受压试验研究表明，钢管混凝土的极限承载力随长细比和偏心率的增大而减小。2002年，陈宝春REF_Ref67127978\r\h[26]等人对偏心受压下的钢管混凝土进行了承载力试验，讨论了偏心率、套箍系数、含钢率以及材料强度对承载力的影响。2006年，吕西林REF_Ref67128023\r\h[27]研究了宽厚比、混凝土强度等因素对钢管混凝土柱抗震性能与破坏形态的影响。2011年，周绪红等REF_Ref67128075\r\h[28]分析了混凝土强度、钢管屈服强度对圆、方钢管约束钢筋混凝土轴压短柱延性和承载力的影响。2017年，徐礼华等REF_Ref67128126\r\h[29]对多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱的轴心受压性能进行了试验研究，建立了多边多腔钢管自密实混凝土短柱轴心受压承载力计算实用公式。现阶段钢混组合梁和钢管混凝土的研究已经相当丰富，研究方法十分成熟。学者们的研究内容主要集中在组合结构的基本力学性能及其影响因素、结构刚度、剪力连接件的形式、滑移效应、构件的受力破坏形式、抗震性能以及其在施工和工程应用中的若干问题。除了这两种基本组合构件之外，组合框架由组合梁、组合柱两种构件组成，布局分布灵活，一般多用于建筑结构当中，国内外很多学者针对组合框架和组合节点做了很多研究，对于常用的组合梁、柱、节点已经积累了相当多的数据，并建立了完善的设计理论与计算方法，由于这部分内容与本文所研究内容关系并不密切，在此不再详述。钢混组合桥塔的应用与研究现状总体来说，钢-混凝土组合桥塔在世界上的应用较少，有且大部分采用的是上部钢结构，下部混凝土形式的混合桥塔，个别采用了外包钢板-中空型混凝土塔或钢管混凝土。1992年，西班牙修建的阿拉米罗大桥(200m)因塔底截面处钢筋很多，造成布筋困难，因此采用了钢板外包兼作模板的钢板-混凝土组合桥塔REF_Ref482249513\r\h[30]。捷克玛丽安大桥（123.3m）以及我国的南京长江第三大桥（648m）的桥塔设计均采用了下部混凝土、上部为钢结构的混合桥塔REF_Ref67064006\r\h[31]ADDINNE.Ref.{10006A49-B2AF-4D2C-84B4-222C927EEACF}，刘家峡大桥的桥塔则采用了钢管混凝土的形式REF_Ref67064106\r\h[32]REF_Ref67064107\r\h[33]。近年来，正在修建的常泰长江大桥（1176m）和设计中的张皋大桥（2300m）的桥塔设计形式均与本文提到的钢混组合截面桥塔类似。现阶段，国内外关于钢混组合桥塔的应用和研究均较少，且尚未有针对钢混组合桥塔的相关规范。2007年，叶伟REF_Ref67064155\r\h[34]针对广州猎德大桥的外包钢混凝土桥塔进行了研究，他采用通用有限元软件ANSYS对桥塔进行了极限承载力分析，获得了外包钢板混凝土桥塔的荷载-位移曲线，同时探讨了外包钢板厚度和栓钉剪力键数量对桥塔极限承载力与刚度的影响，此外还获得了PBL剪力键连接的外包钢板混凝土桥塔的加载全过程与破坏模式，较为深入的研究了该种形式桥塔的基本力学性能及其影响因素。2008年，俞欣REF_Ref482249513\r\h[30]针对钢混组合桥塔的设计方法、基本受力性能进行了一系列研究，他设计了一种钢-高性能混凝土组合桥塔的节段模型，通过试验研究的方式得到了组合桥塔的极限承载力，探明了桥塔结构在受压破坏前后的变形规律，较为深刻的揭示了组合桥塔轴心受压的受力特征和破坏机理。2011年，王春生REF_Ref67064191\r\h[35]依据南京长江三桥的钢桥塔，设计制作了钢-高性能混凝土组合桥塔节段模型，研究了该种类型桥塔的基本力学性能，并在试验的基础上提出了一种组合桥塔承载能力的计算方法。2017年，王习之等REF_Ref67064216\r\h[36]研究了外包钢中空混凝土组合桥塔在轴压下的力学性能，组合桥塔见REF_Ref65487077\h图14所示。他们采用有限元分析与模型试验的方式对组合桥塔进行了深入研究，研究结果表明：组合桥塔能够充分发挥混凝土与钢材的承载能力，其变形能力提高；开孔板剪力连接件不仅受剪发挥传递荷载作用，其抗拔拉作用能够有效阻止局部屈曲破坏前钢板和混凝土的剥离。2018年，张喜刚REF_Ref67064249\r\h[37]以一种中空型外壁钢板-混凝土组合桥塔（见REF_Ref65487131\h图15）为研究对象，设计了4个塔柱试件并进行了轴压试验研究，在桥塔受压破坏过程中，分析了材料强度等参数对桥塔力学性能的影响；并用有限元分析的方式，对中空型钢筋混凝土试件、中空型外壁钢板-混凝土试件和中空型内外壁钢板-混凝土试件进行了轴压分析，得到了一系列结论：中空型外壁钢板-混凝土组合塔柱的承载能力明显优于普通混凝土桥塔；提高混凝土强度、钢板强度、增加钢板厚度能够有效提高桥塔结构的承载力；组合桥塔发生屈服后，变形能力较混凝土塔有所提升，且桥塔承载力退化缓慢。图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s14外包钢中空混凝土组合塔REF_Ref67064216\r\h[36]图STYLEREF1\s1-SEQ图\*ARABIC\s15中空型外壁钢板-混凝土组合桥塔REF_Ref67064249\r\h[37]上述类型钢混组合塔的已有研究能够充分体现出组合桥塔相对于传统混凝土塔的优越性，其能够发挥混凝土和钢结构的承载能力，使钢材的强度得到最大程度的利用，结构延性和耗能能力增加，非常适用于大跨度缆索承重桥梁的桥塔结构，但目前组合桥塔的研究相对于其他组合结构还远远不够，现阶段组合塔多以外包钢板混凝土塔和上钢下混的混合塔为主，研究内容包括了结构极限承载力、结构的传力机理和破坏方式等，对于本文提到的钢混组合截面桥塔尚无实际应用和研究，因此该种形式的钢混组合塔应用于大跨度缆索承重桥梁时的静动力性能值得研究。参考文献戚菁菁.钢—混凝土组合框架抗震性能及地震弹塑性反应研究[D].中南大学,2011.彭强.南京长江五桥钢壳混凝土桥塔足尺模型工艺试验[J].桥梁建设,2019,49(03):46-50.沈锐利,闫勇,唐茂林,等.一种用于大跨度桥梁的组合截面桥塔[P].2012-10-24.王洪涛.高强钢—混凝土组合梁静力性能研究[D].北京工业大学,2013.CarvelliV,PisaniMA,PoggiC.FatiguebehaviourofconcretebridgedeckslabsreinforcedwithGFRPbars[J].CompositesPartB:Engineering.2010,41(7):560-567.IslamMS,ShahnewazM,AlamMS.StructuralcapacityoftimberI-joistwithflangenotch:Experimentalevaluation[J].ConstructionandBuildingMaterials.2015,79:290-300.WelknerD,EberhardtE,HermannsRL.HazardinvestigationofthePortilloRockAvalanchesite,centralAndes,Chile,usinganintegratedfieldmappingandnumericalmodellingapproach[J].EngineeringGeology.2010,114(3-4):278-297.AmadioC,FragiacomoM.Effectivewidthevaluationforsteel–concretecompositebeams[J].JournalofConstructionalSteelResearch.2002,58(3):373-388.ChapmanJ.Compositeconctructioninsteelandconcrete:Thebehaviourofcompositebeams[J].TheStructuralEngineer.1964,42(4):115-125.JohnsonR.Partial-interactiondesignofcompositebeams[J].StructuralAug.1975.Taplin,GrundyG,Paul.Steel-concretecompositebeamsunderrepeatedload[J].Proceedingsoftheconference:CompositeConstructioninSteelandConcreteIV.2000:37-50.SSG,PH.BehaviorOfSteel-ConcreteCompositeMembersForArcticOffshoreStructures[J].Proceedingsofthefirstinternationaloffshoreandpolarengineeringconference.1991:548-555.AyoubA,FilippouFC.MixedFormulationofNonlinearSteel-ConcreteCompositeBeamElement[J].JournalofStructuralEngineering.2000,126(3):371-381.郝江华,高欣乐,李超.钢管再生混凝土轴压短柱受力性能有限元分析[J].水利与建筑工程学报,2013,11(05):145-148.聂建国,余洲亮,叶清华.钢-混凝土叠合板组合梁抗震性能的试验研究[J].清华大学学报(自然科学版),1998(10):36-38.蒋丽忠,邹飞,余志武.低周反复荷载作用下钢-混凝土组合梁的延性[J].铁道科学与工程学报,2005(05):23-27.李方方.钢—混凝土简支组合箱梁抗震性能试验研究及理论分析[D].中南大学,2012.祝松伟.钢—混凝土组合梁受力性能研究[D].西安理工大学,2019.文智.钢管混凝土徐变及其对承载力的影响[D].广州大学,2019.FurlongRW.Strengthofsteel-enc