考虑滑移和掀起效应的木-混凝土组合梁力学性能研究

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随着生态建筑理念的兴起,木材这种绿色环保材料再次被越来越多的建筑工程师们所重视。为充分利用木材抗拉性能好的特点,木-混凝土组合梁也逐步被建筑工程师们所喜爱和研究。木-混凝土组合梁将上部混凝土翼板和下部胶合木梁通过不同类型的剪力连接件连成一个受力共同体,从而能有效利用这两种材料各自的力学特点。相较于常用的钢筋混凝土梁,木-混凝土组合梁更契合生态环保的建筑理念。受木材和混凝土材性不同的影响,以及剪力连接件的刚度在实际工程应用中不可能达到无穷大的原因,导致木梁和混凝土板在交界面位置处必然会出现滑移和掀起。国内外学者已开展了大量的理论和试验研究以探讨各类剪力连接件的力学性能,取得了较为丰富的成果,而木-混凝土组合梁的研究开展得相对较少。本文在总结木-混凝土组合梁的现有成果后,发现仍有以下问题亟待解决:(1)滑移和掀起效应均会导致木-混凝土组合梁抗弯性能降低,但目前的研究都是在不考虑竖向掀起效应的前提下进行的。因此,从结构安全的角度出发,很有必要研究掀起效应对木-混凝土组合梁抗弯性能的影响。(2)由于木-混凝土组合梁的剪切应力非常复杂。目前鲜少有学者对木-混凝土组合梁的抗剪性能进行过深入的探讨,因而对其抗剪破坏形态和破坏机理都缺少相应的认识。为研究掀起效应对木-混凝土组合梁抗弯性能的影响,本文制作了 5根以剪力连接度和螺栓布置方式为研究参数的木-混凝土试验梁。通过试验研究,探明了不同的剪力连接度及螺栓布置方式时,木-混凝土组合梁的滑移、掀起、挠度、应变及抗弯承载力变化规律;同时考虑竖向掀起效应,对木-混凝土组合梁的抗弯性能进行了理论分析。为探讨木-混凝土组合梁的抗剪破坏模式和受力性能,本文制作了 5根以剪力连接度、剪跨比和木梁腹板宽度为研究参数的木-混凝土试验梁。通过试验研究,探讨了木-混凝土组合梁的抗剪破坏模式、破坏机理及混凝土板的滑移和剪应力分布规律,并进一步提出了抗剪承载力计算方法。本文所取得的主要成果及创新点如下:(1)通过试验研究,探明了滑移和掀起力的变化规律及其对抗弯性能的影响;同时基于弹性理论,利用平衡微分方程推导了两点对称集中荷载作用下掀起力的解析解;并进一步推导了考虑滑移和掀起效应时的木-混凝土组合梁挠度和抗弯承载力。(2)分析了组合梁中常用的折减刚度法应用于木-混凝土组合梁时的局限性,并对其进行了修正,解决了木-混凝土组合梁的简化计算问题。(3)深入探讨了木-混凝土组合梁的抗剪承载力破坏形态,推导了弹性状态下木-混凝土组合梁在完全剪力连接和无剪力连接两种状况下的剪应力理论值,提出了部分剪力连接木-混凝土组合梁的混凝土中性轴剪应力简化计算方法。并通过分析混凝土板和木梁的剪力分配规律,进一步提出了木-混凝土组合梁的抗剪承载力简化计算方法。总之,本文对木-混凝土组合梁在两点对称荷载作用下的抗弯和抗剪力学性能进行了深入系统的研究,研究成果可运用在木-混凝土组合梁的设计计算中,对发展木-混凝土组合梁这一绿色环保的建筑结构具有重要的理论意义。
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