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本文通过长期试验、理论研究和时随有限元分析,对预应力钢-混凝土组合梁的长期性能进行了较为系统的研究。论文主要研究工作包括四个部分:
第一部分,通过13根组合梁500d长期性能试验,对预应力钢-混凝土组合梁的截面应变分布、跨中变形、跨中截面曲率、混凝土板中钢筋应变、混凝土板应变、钢梁应变、预应力筋有效预应力值、梁板相对滑移、栓钉剪力等指标的时随变化规律进行了研究,重点考察了有效预拉力、混凝土种类、结构形式、使用荷载等因素对组合梁长期性能的影响规律。研究表明:在500d持续荷载作用下,组合截面满足平截面假定;组合梁下挠不断增加;施加预应力会使组合梁跨中附加变形减小,采用高性能混凝土、两跨连续结构形式均可以减小组合梁跨中附加变形,使用荷载增加时组合梁跨中附加变形也增加;组合梁跨中截面曲率的变化规律与跨中变形基本相同;混凝土板中上、下层钢筋压应变不断增加,而且上层钢筋应变的增加速率总是比下层钢筋应变的增加速率大;混凝土板上缘压应变、钢梁下缘压应变整体呈上升趋势,环境温度对其影响较大;预应力筋有效应力整体呈上升趋势;梁板之间相对滑移的变化量较小,13根组合梁试件梁板相对滑移值均在0.16mm以内。
第二部分,考虑组合截面自内力和连续梁中的约束次内力,推导了预应力钢-混凝土组合简支梁和两跨预应力钢-混凝土组合连续梁长期应力与变形的理论计算模型,该模型综合考虑了混凝土板中普通钢筋、混凝土收缩徐变和预应力筋松弛等因素的影响,其计算结果与本文试验结果以及国内外其它试验结果吻合效果良好。需要说明,此处预应力钢-混凝土组合简支梁长期应力与变形理论计算模型同样适用于非预应力钢-混凝土组合简支梁。
第三部分,根据力的平衡和变形协调关系,推导了体外预应力钢-混凝土组合截面应力-应变时随增量关系表达式,该表达式考虑了一次加载和多次加载的情况。在此基础上,编制修改了预应力钢-混凝土组合梁时随全过程分析程序,程序计算结果与本文试验结果及国内外其它试验结果吻合效果良好。
第四部分,根据本文和国内外已有研究成果,确定了混凝土强度等级、预应力筋种类、有效预拉力、使用荷载、预应力筋面积、张拉龄期、堆载与张拉时间间隔、混凝土板宽度、普通钢筋配筋率以及环境年平均相对湿度等为研究参数,采用本文组合梁时随全过程分析程序对预应力钢-混凝土组合梁进行参数分析,考察各参数对组合梁长期性能的影响规律及程度。结合组合梁长期变形理论分析成果,通过对组合梁试件10000d跨中附加变形的程序计算结果进行数据拟合和参数回归,提出了预应力钢-混凝土组合简支梁、两跨预应力钢-混凝土组合连续梁长期变形设计建议,该建议计算结果与程序计算结果吻合良好。
本文的研究成果为预应力钢-混凝土组合梁的设计与应用以及相关规范的编制提供了技术依据和参考数据。