基于精细模型的波形钢腹板组合箱梁收缩徐变效应

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中文摘要：波形钢腹板组合箱梁是一种通过剪力连接键将波形钢腹板与混凝土板连接形成整体共同工作的新型钢-混凝土组合结构。在长期荷载作用下，组合梁的混凝土会产生收缩徐变，波形钢腹板对该变形的约束会导致组合梁内部发生截面内力与应力重分布，并使结构产生附加变形，其值可达弹性变形的数倍之多，这将会对组合结构性能产生极大的影响。以往针对组合结构的有限元数值模拟研究多采用二维或三维梁单元计算，无法精确反映组合梁关键部位的局部受力特点;当采用实体单元模拟混凝土、壳单元模拟波形钢腹板和杆单元模拟预应力筋的方法建立多尺度混合有限元模型时，可更精细的反映结构受力行为，而对于三维混合有限元模型的收缩徐变效应研究至今没有统一的模式。本文采用理论推导与有限元计算相结合的研究方法，对波形钢腹板组合箱梁的收缩徐变效应进行了系统全面的分析，具体工作与所得结论包括: (1)本文在对混凝土常用的收缩徐变计算理论与预测模型进行总结归纳的基础上，提出基于按龄期调整的有效模量法原理确定金属蠕变系数的混凝土徐变计算方法，并利用ANSYS软件的APDL模块编制了可迭代运算收缩徐变的程序，实现了在ANSYS软件中准确模拟混凝土的收缩徐变;结合既有理论与试验数据验证了计算方法的有效性,结果表明:采用本文方法计算的组合梁长期挠度与试验数据吻合较好，长期挠度计算值与理论结果的最大误差为3.2％,证实了该方法在分析组合梁长期性能方面的适用性。 (2)依托实际工程，使用有限元软件ANSYS基于本文方法构建了波形钢腹板组合箱梁桥的多尺度三维混合有限元模型，同时使用Midas/Civil软件建立了梁单元模型，对比探究了收缩徐变对结构挠度、内力与应力的影响，计算结果表明:在收缩徐变影响下，结构内力与应力重分布明显，跨中挠度终值可达初始挠度的2.2倍，且多数结构响应在成桥初期～成桥3年内充分发展;ANSYS与Midas/Civil模型的计算结果、长期发展趋势基本一致;剪力滞效应下，长期徐变对组合梁关键截面应力横向分布的均匀程度影响显著。 (3)基于整桥有限元模型，选择应力较为集中的位置，采用梁单元模拟栓钉与贯穿钢筋，使用壳单元模拟开孔钢板与钢翼缘板，分别构建了栓钉与开孔钢板(PBL)两种剪力连接形式的局部有限元模型，对剪力连接键的钢翼缘板及其附近混凝土的长期受力情况进行了对比分析，计算结果表明:在收缩徐变影响下，结构应力由混凝土向钢翼缘板进行了转移，应力重分布明显;两种剪力连接键中第一排栓钉（贯穿钢筋）附近的混凝土与钢翼缘板所受应力最大,其后依次减少;长期作用下各排栓钉（贯穿钢筋）附近的混凝土、钢翼缘板所受应力均逐渐接近;成桥10年后，相对于栓钉剪力连接键，PBL连接键部位的混凝土应力水平降低了 10.98％,钢翼缘应力水平降低了 8.51％,说明PBL连接键对结构应力的改善效果较为明显，更能发挥波形钢腹板组合结构的优势。

作者：

马浩凯

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关键词：

波形钢腹板组合箱梁收缩徐变蠕变本构系数应力重分布剪力连接键三维混合有限元模型

授予学位：

硕士

学科专业：

土木水利

导师：

许世展

学位年度：

2023

学位授予单位：

郑州大学

语种：

中文

中图分类号：