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胶合竹梁是现代竹结构的基本受力构件,对建筑结构跨度和室内净空高度有重要影响,而胶合竹梁抗弯刚度低、变形大,极大地限制了竹结构的跨度与应用范围,已成为制约现代竹结构发展的瓶颈性问题。借鉴胶合木-混凝土组合梁(TCC)的研究成果,研发胶合竹-混凝土组合梁(BCC),是解决这一问题的重要方向。在长期荷载作用下,竹/木材料具有显著的蠕变,混凝土板及连接件本身也存在徐变,这些因素都使得组合梁在工作过程中的挠度随持荷时间的增长而增加,对其正常使用极限状态(SLS)的影响不可忽视。考虑到连接件的存在,混凝土板与竹木梁并不能自由变形,会持续产生内力重分布,使得组合梁的长期变形计算相比于一般构件更为复杂,这一直是BCC/TCC研究的难点。
本论文对BCC长期持荷性能开展试验研究,主要对多种连接件和典型BCC足尺梁开展长期荷载试验研究,探讨了BCC梁长期变形计算方法,并研究了长期荷载作用对组合梁剩余性能的影响。主要研究工作与成果如下:
(1)冲切钢板网(SM)、螺杆(SC)、凹槽连接件(NC)、预紧力凹槽连接件(PNC)、以及新型RPC-钢复合连接件制作8组双面剪切试件,开展室内环境下的长期荷载试验,持荷时间不少于9个月,测量其滑移-时间关系曲线,以此评估连接件的长期性能。结果表明:在持荷的前30天内,界面滑移增长相对较快,随后,滑移增长逐渐减缓,并在持荷约200天后,基本达到稳定状态;环境温度和湿度对连接件的滑移发展有一定影响,表现为相应时间段内滑移-时间曲线的波动,但在室内条件下,波动幅度相对较小。从滑移增量来考察,SC连接件的长期持荷性能突出,而RPC-钢复合连接件的长期持荷性能相对较低。
(2)选择冲切钢板网(SM)、螺杆(SC)、凹槽连接件(NC)、预紧力凹槽连接件(PNC)、以及两种RPC-钢复合连接件,制作8根BCC梁,开展室内环境下的长期抗弯试验。试验结果表明:在持荷的前30天内,跨中挠度增长加快,随后,其增长速率显著降低,在持荷约550天后,挠度基本稳定下来;环境温度和湿度对BCC变形发展有明显的影响,表现为跨中挠度-时间曲线随温度和湿度变化产生较为明显的波动,且秋、冬两季的波动幅度和增长速率大于春、夏两季。在本文试验条件下,持荷约700天后,各BCC梁的长期跨中挠度是其初始挠度的2.03~2.73倍。
(3)基于Burgers模型和双链Kelvin模型,提出连接件蠕变本构模型,对连接件的长期变形进行预测。结果表明,双链Kelvin模型的预测准确性相对较高。采用所提出连接件蠕变模型,对现有的折减刚度法进行修正,利用修正后的折减刚度法计算BCC梁长期挠度,并对BCC梁的长期变形进行了预测。结果表明,该计算方法可以较好的预测BCC梁在长期荷载作用下的最终挠度和挠度增长趋势,预测精度明显优于现有方法。基于新的折减刚度法对BCC梁长期变形进行了预测,结果表明,采用典型连接件的BCC梁在承受准永久设计荷载作用下,其在设计基准期内的挠度满足SLS下控制挠度的要求。本文建议BCC梁的长期荷载上限,可按其短期荷载下的极限承载力的10%取值。
(4)分别对长期荷载作用后的连接件和组合梁开展推出试验与抗弯试验。结果表明:长期荷载作用后的各种连接件,其抗剪承载力和抗滑移刚度出现不同程度退化,其退化程度与连接件类型相关,其中现浇式连接件退化幅度相对较大,装配式连接件的抗剪性能退化幅度较小;而相对于基准试件,BCC梁在长期荷载作用后的剩余抗弯承载力和抗弯刚度都有小幅度提高,但延性有所降低。
本研究初步揭示了BCC梁在长期荷载下的变形发展规律及长期持荷后的剩余性能,为BCC梁的设计和应用提供了基础性依据。
本论文对BCC长期持荷性能开展试验研究,主要对多种连接件和典型BCC足尺梁开展长期荷载试验研究,探讨了BCC梁长期变形计算方法,并研究了长期荷载作用对组合梁剩余性能的影响。主要研究工作与成果如下:
(1)冲切钢板网(SM)、螺杆(SC)、凹槽连接件(NC)、预紧力凹槽连接件(PNC)、以及新型RPC-钢复合连接件制作8组双面剪切试件,开展室内环境下的长期荷载试验,持荷时间不少于9个月,测量其滑移-时间关系曲线,以此评估连接件的长期性能。结果表明:在持荷的前30天内,界面滑移增长相对较快,随后,滑移增长逐渐减缓,并在持荷约200天后,基本达到稳定状态;环境温度和湿度对连接件的滑移发展有一定影响,表现为相应时间段内滑移-时间曲线的波动,但在室内条件下,波动幅度相对较小。从滑移增量来考察,SC连接件的长期持荷性能突出,而RPC-钢复合连接件的长期持荷性能相对较低。
(2)选择冲切钢板网(SM)、螺杆(SC)、凹槽连接件(NC)、预紧力凹槽连接件(PNC)、以及两种RPC-钢复合连接件,制作8根BCC梁,开展室内环境下的长期抗弯试验。试验结果表明:在持荷的前30天内,跨中挠度增长加快,随后,其增长速率显著降低,在持荷约550天后,挠度基本稳定下来;环境温度和湿度对BCC变形发展有明显的影响,表现为跨中挠度-时间曲线随温度和湿度变化产生较为明显的波动,且秋、冬两季的波动幅度和增长速率大于春、夏两季。在本文试验条件下,持荷约700天后,各BCC梁的长期跨中挠度是其初始挠度的2.03~2.73倍。
(3)基于Burgers模型和双链Kelvin模型,提出连接件蠕变本构模型,对连接件的长期变形进行预测。结果表明,双链Kelvin模型的预测准确性相对较高。采用所提出连接件蠕变模型,对现有的折减刚度法进行修正,利用修正后的折减刚度法计算BCC梁长期挠度,并对BCC梁的长期变形进行了预测。结果表明,该计算方法可以较好的预测BCC梁在长期荷载作用下的最终挠度和挠度增长趋势,预测精度明显优于现有方法。基于新的折减刚度法对BCC梁长期变形进行了预测,结果表明,采用典型连接件的BCC梁在承受准永久设计荷载作用下,其在设计基准期内的挠度满足SLS下控制挠度的要求。本文建议BCC梁的长期荷载上限,可按其短期荷载下的极限承载力的10%取值。
(4)分别对长期荷载作用后的连接件和组合梁开展推出试验与抗弯试验。结果表明:长期荷载作用后的各种连接件,其抗剪承载力和抗滑移刚度出现不同程度退化,其退化程度与连接件类型相关,其中现浇式连接件退化幅度相对较大,装配式连接件的抗剪性能退化幅度较小;而相对于基准试件,BCC梁在长期荷载作用后的剩余抗弯承载力和抗弯刚度都有小幅度提高,但延性有所降低。
本研究初步揭示了BCC梁在长期荷载下的变形发展规律及长期持荷后的剩余性能,为BCC梁的设计和应用提供了基础性依据。