负弯矩下钢-叠合板组合梁及梁板节点受力性能研究

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钢-混凝土组合结构凭借自身在力学性能方面结合了各自材料的优势而在民用建筑和桥梁工程领域中广泛使用,使得此种结构在大跨度和大空间中有着巨大的优势。传统的钢-钢筋桁架混凝土叠合板组合体系中,预制底板的构造为在钢梁那一端伸出弯起钢筋,但在施工过程当中弯起的钢筋由于时常存在碰撞问题而导致施工进度变缓,其次由于预制底板与钢梁没有形成稳固的连接而存在安全问题。为了使装配式钢-钢筋桁架混凝土叠合板组合结构施工更加快捷安全高效,本课题提出了一种在预制底板预埋新型角钢连接件的钢-钢筋桁架混凝土叠合板组合结构,此结构具有施工进度快,安全性高等优点,对于促进装配式组合结构的发展具有重要意义。为了深入研究钢-叠合板组合梁及梁板节点在负弯矩作用下的受力性能和验证预制底板预埋角钢连接件的钢-叠合板组合结构受力的合理性,本文采用试验分析,有限元分析及理论分析的方法对此类组合结构的受力性能进行研究,可为此类组合结构的设计和工程实践提供参考。本文的主要工作内容和结论如下:(1)通过对预制底板伸出弯起钢筋和预制底板预埋新型角钢连接件的钢-叠合板组合梁进行负弯矩作用下受力性能试验研究,分析对比两组组合梁荷载-挠度、挠度分布、界面滑移、裂缝分布、截面应变分布的异同。研究结果表明,两组组合梁的破坏形态表现为混凝土板开裂严重、钢梁跨中翼缘与腹板屈曲明显,且极限承载力相近;叠合面没有发生剪切破坏,组合梁整体受力性能较好;两种组合梁裂缝分布相似,角钢连接件具有抑制钢-叠合板组合梁纵向劈裂裂缝的作用;预制底板预埋新型角钢连接件的钢-叠合板组合梁组合性能更好,抗弯刚度更大;预制底板预埋新型角钢连接件的钢-叠合板组合梁的滑移量远小于预制底板伸出弯起钢筋的滑移量,且最大滑移量仅有预制底板伸出弯起钢筋的1/2。(2)应用考虑交界面相对滑移产生附加挠度的修正公式对负弯矩作用下钢-叠合板组合梁的挠度进行分析,分析结果表明忽略组合梁负弯矩区混凝土对刚度贡献计算的挠度值和试验值偏离较大,计算值过于保守;按等效刚度计算的挠度值在弹性阶段能较大贴近试验值,在弹性承载力范围内相对于忽略混凝土作用计算的挠度值吻合度提升5%左右,并且偏于安全。(3)结合钢-混凝土叠合板组合梁负弯矩下的受弯性能试验进行精细化建模分析,模型结果与试验结果较为吻合。在试验模型的基础上建立11组有限元模型进行参数分析,探究混凝土强度、预制底板在钢梁翼缘上的搭接长度、角钢连接件数量对预制底板预埋角钢连接件的钢-叠合板组合梁抗弯承载力和抗弯刚度的影响规律。结果表明,混凝土强度、搭接长度对抗弯承载力几乎无影响,角钢连接件数量对抗弯承载力的影响较小;随着混凝土强度和角钢连接件数量的增加,初期刚度与后期刚度增大;搭接长度对刚度几乎不产生影响。(4)为了消除有限元参数分析中各参数之间的交互干扰影响,设计了三因素三水平的正交表,建立了9组各因素及水平进行均匀分配的负弯矩下的受弯有限元模型,确定混凝土强度、搭接长度、角钢连接件数量对始刚度与后期刚度的影响程度。极差和方差分析结果表明角钢连接件数量是显著的因素,混凝土强度次之,搭接长度对抗弯刚度的影响不显著。(5)为了研究预制底板预埋角钢连接件的叠合板与钢梁连接形成的梁板节点受力性能,通过有限元分析的方法对四种不同构造的梁板节点的受力性能进行研究,并对角钢连接件的受力机理和传力过程分析。在此基础上针对上层网受力筋直径、混凝土强度、角钢数量、角钢强度和角钢弯钩钢筋直径对此节点承载力影响规律建立11个参数分析模型。有限元研究表明,预制底板预埋角钢连接件的叠合板与钢梁连接节点具有良好的承载能力和延性,工作性能优良;角钢连接件在正常使用期间具有良好的安全性能;梁板节点受弯承载力随着上层网受力筋直径的提高而大幅提高,混凝土强度和角钢数量对受弯承载力影响较小,角钢强度和角钢弯钩钢筋直径对受弯承载力没有影响。图[65]表[20]参[75]
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