钢-混凝土蜂窝组合梁抗剪性能研究毕业论文(编辑修改稿)

钢-混凝土蜂窝组合梁抗剪性能研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

，吴迪，林国铎，孙瑛 [48]进一步研究蜂窝梁的力学性能，探讨了跨度、开孔率、孔间距等关键设计参数对梁强度、刚度和稳定性能的影响，并将计算结果与相同截面的实腹式构件对比，给出了较为简化的实用计算公式。 1994 年，徐德新 [49]给出蜂窝组合梁强度计算方法，考虑了空腹次弯矩的影响和竖向剪力的影响，并将计算结果与试验数据对比。 1998 年，同济大学王瑞民 [50]等人进行了 3 根高托蜂窝组合梁试验研 究，在试验基础上进行理论分析，给出了承载力理论计算公式，并将公式计算值与试验值比较偏于安全。 2020 年，白永生 [51]等人对国外蜂窝组合梁相关计算方法进行对比介绍，提出了各自的优点不足，在国外的计算方法上进行修正，通过实验数据验证了修正后公式的正确性。 2020 年，周东华 [52]等人对腹板开洞组合梁进行了有限元计算，对比了开孔前后承载力与刚度的变化情况，分析了滑移对承载力的影响，并指出蜂窝组合梁孔洞处由混凝土板起主要抗剪作用，钢梁起主要抗弯作用。 2020 年，张伟，胡夏闽 [53]对腹板开孔蜂窝组合梁进行了非线性 分析，分析发现弯剪比对承载力的影响明显，混凝土抗剪贡献在孔口处不可忽略。 2020 年，李华[54]等人对 1 根实腹组合梁和 3 根蜂窝组合梁进行了试验研究，对承载力、刚度和截面应力分布变化进行分析。 2020 年，湖南大学刘春 [55]通过一根等截面的钢 — 混凝土蜂窝组合箱梁 (圆孔 )弹性状态的静载试验以及极限承载力全过程静载试验，对蜂窝梁在桥梁中的应用进行了前期初步探讨。 沈阳建筑大学贾连光教授团队对国内研究较少的蜂窝柱、蜂窝梁柱节点和蜂窝框架进行研究： 蜂窝梁的研究：对不同孔型、不同开孔梁下的蜂窝梁进行有限元模拟分析，通 过对比分析得出，圆孔梁的极限抗弯承载力明显高于六边形孔蜂窝梁的极限抗弯承载力；分析了跨高比对不同扩张比蜂窝梁的弹性弯扭屈曲临界弯矩的影响，给出了纯弯状态下蜂窝梁的整体稳定计算公式 [56,57]。 蜂窝柱的研究：通过对不同截面形式的实腹式压弯构件及蜂窝式压弯构件的平面内稳定极限承载力计算及分析，提出了蜂窝式压弯构件强度、刚度及平面内稳定设计的计算方法；对原型钢与扩张后的蜂窝压弯构件的弹性弯扭屈曲临界荷载进行了比较，分析了跨高比以及孔形对其值的影响，给出了适合蜂窝压弯构件弯矩作用平面外稳定性的计算公式。 对蜂窝式 压弯构件局部稳定问题进行研究，考虑了翼缘的相关作用，同时考虑了腹板高厚比、翼缘和腹板厚度比、应力比以及开孔大小等多个参数对腹板屈曲系数的影响，得出了蜂窝构件局部屈曲系数的变化趋势与特点，提出了蜂窝构件局部屈曲系数的设计式。 2020 年，进行了蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内的试验研究，通过试验分析，引入了换算长细比概念，对由边缘屈服准则导出的格构式压弯构件平面内稳定计算公式进行了修正，提出了蜂窝式压弯构件强度承载力、刚度条件及平面内稳定性设计计算公式。 2020 年，进行了蜂窝式轴压构件腹板局部稳定性试验研究，通过试 验与有限元分析相结合的方法，分析了简支开孔薄板局部失稳的破坏模式、开孔薄板墩板和桥板的应力状态、开孔薄板孔边的应力状态、孔洞大小对开孔薄板的影响以及在翼缘约束作用下蜂窝构件腹板的稳定问题，并给出开孔腹板弹性屈曲荷载的计算公式 [5863]。 蜂窝梁柱节点的研究： 2020 年，进行了蜂窝式钢框架梁柱节点静力性能试验研究，与有限元分析相结合，分析了梁腹板分别为六边形、圆形以及正方形的蜂窝式框架节点的控制参数对节点静力性能的影响，得出了不同孔型的蜂窝式钢框架节点控制参数的合理取值范围。 2020 年，进行了原型钢和蜂窝 节点共六组试件在低周往复荷载下的试验研究和有限元模拟，通过对其滞回曲线、骨架曲线和延性等分析，对蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能进行了综合评价，并对蜂窝梁梁柱节点设计给出合理建议 [6467]。 蜂窝框架体系的研究： 2020 年，进行了蜂窝框架结构体系模型在低周往复荷载作用下的拟静力试验，通过试验和有限元模拟相结合，对蜂窝框架体系抗震性能进行分析，评价了蜂窝式梁 柱钢框架结构形式的延性性能和耗能能力，通过改变不同孔型和不同参数的有限元模拟分析，分析不同影响因素下的性能变化，给出了合理的设计建议 [6870]。 本文的研究内容、方法及创新点 研究内容与方法 本文通过有限元软件 Abaqus，对蜂窝梁和考虑混凝土组合作用下的蜂窝组合梁在竖向荷载作用下的抗剪性能进行研究，分析了孔型、开孔率、翼缘尺寸、混凝土板尺寸和连接程度等参数对抗剪性能的影响， 具体内容如下 ： (1) 建立合理的有限元计算模型，通过对国外蜂窝梁抗剪试验和蜂窝组合梁抗剪试验的计算，与试验数据对比，找出合理的计算方法，为下一步大量模拟提供依据。 (2) 对不同孔型、不同开孔率和不同翼缘尺寸的蜂窝梁进行数值模拟，分析孔型对蜂窝梁抗剪性能的影响； 通过变化开孔率和翼缘尺寸，分析二者之间的相关性，找出翼缘对抗剪贡献的大小和主要影响因素，通过分析给出蜂窝梁抗剪计算方法。 (3) 对不同孔型蜂窝梁和考虑混凝土板组合作用下的蜂窝组合梁进行对比，分析混凝土板对蜂窝组合梁抗剪承载力的贡献； (4) 对不同混凝土板尺寸和连接程度下的蜂窝组合梁进行数值模拟，分析混凝土板宽度和厚度对蜂窝组合梁抗剪承载力变化的影响，通过分析回归给出无剪力连接件时的蜂窝组合梁抗剪计算公式；通过改变栓钉直径，分析不同连接程度下蜂窝组合梁界面滑移分布规律，以及滑移对其抗剪性能的影响，给出影响 程度的计算方法。 (5) 分析剪跨比对蜂窝组合梁抗剪性能的影响，分析蜂窝组合梁的在弯矩和剪力共同作用下的相关性，通过数值模拟与理论计算给出蜂窝组合梁弯 剪相关曲线的设计公式；改变蜂窝组合梁孔洞竖向位置，分析孔洞竖向位置对承载力的影响，找出合理的竖向孔洞位置。 (6) 通过 数值计算与理论 分析，对蜂窝 梁和蜂窝组合梁抗剪性能 做出综合性总结，对其抗剪设计 提出意见和建议。 创新点 国内外对于蜂窝梁和蜂窝组合梁的抗剪设计，大多采用实腹梁和实腹组合梁的设计方法，在孔口处按 T 型截面梁进行抗剪设计，按实腹梁的计算公 式进行计算，忽略了孔型和翼缘对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪的影响。 本文在原有实腹梁经典理论基础上，将开孔后的梁笼统地看成“完整”钢梁，从宏观的角度研究抗剪承载力，分析不同参数对其抗剪性能的影响，给出实用抗剪计算方法和弯 剪相关公式，对于设计人员更方便简单。 第二章 蜂窝梁及蜂窝组合梁基本理论与设计方法 蜂窝梁及蜂窝组合梁受剪破坏形式 蜂窝梁及蜂窝组合梁由于腹板开孔后，抗剪承载力下降，当竖向剪力较大时，蜂窝梁及蜂窝组合梁剪切破坏先于弯曲破坏。 构件发生剪切破坏时，材料性能不能完全发挥出来，是设计中要 尽量避免的。 蜂窝梁及蜂窝组合梁有多种剪切破坏形式，发生哪种破坏与梁的截面尺寸、开孔形状和开孔大小等都有关系。 蜂窝梁剪切破坏形式 蜂窝梁剪切破坏的主要形式有： (1) 最薄弱截面剪切破坏 这种破坏形式主要发生在圆形孔蜂窝和开孔率较小的其他孔型蜂窝梁中。 对于圆形孔蜂窝梁，梁桥处腹板从两侧向中间均匀减小，应力集中现象得到缓解，梁桥两侧腹板面积增大，可以有效的抵抗剪力次弯矩的作用。 因此，圆孔蜂窝梁剪切破坏一般发生在最薄弱截面；开孔率较小的其他孔型蜂窝梁由于梁桥长度短，剪力引起的次弯矩较小，产生的 影响不足以与截面剪力相比，此时也以最薄弱截面剪切破坏为主。 (2) 空腹剪切破坏机制 随着开孔率的增大，当梁桥达到一定长度时，在剪力和剪力次弯矩的作用下，蜂窝梁孔角首先进入屈服状态，随着剪力和剪力次弯矩的增加，屈服延伸，屈服面积变大，孔洞发生剪切变形，呈平行四边形。 当孔角全截面进入屈服状态时，此时孔洞失去抗剪承载能力，发生剪切破坏，这种破坏形式与空腹桁架相似，被称作空腹剪切破坏机制。 (3) 梁桥剪切屈曲 作为翼缘板的简支边，梁桥处腹板应该具有足够的刚度，如果梁桥处腹板的弯曲刚度较小，梁桥处腹板首先发生屈 曲；如果梁桥处腹板的弯曲刚度较大，此时的屈曲模式是梁桥上方翼缘板的局部屈曲，翼缘板和梁桥处腹板之间在结构上的相互作用很小，梁桥处腹板仅作为翼缘板的屈曲模式的波节线。 因此，在设计中要保证梁桥处腹板的弯曲刚度足够大，以保证翼缘屈曲先于梁桥处腹板剪切屈曲。 (4) 梁墩剪切屈曲 为了满足一定的刚度和强度要求，孔洞之间腹板的尺寸应足够大，尺寸较小时，在剪力作用下，孔洞之间腹板发生局部屈曲。 (5) 焊缝碎裂 由于蜂窝梁是通过实腹梁通过腹板按一定折线切割焊接而成，上下 T 形截面是通过焊接连接到一起。 当水平剪应力超过焊缝 强度时，相邻孔洞之间腹板的焊缝将会破裂。 根据腹板孔洞切割制作工艺可知，孔洞之间腹板焊接长度与切割折线有关，当开孔水平长度较小时，相邻孔洞之间腹板的焊缝易产生此种形式的破坏。 蜂窝组合梁剪切破坏形式 蜂窝组合梁剪切破坏除了以上提到的蜂窝梁剪切破坏形式外，还主要有以下几种破坏形式： (1) 混凝土板断裂 在剪力和剪力次弯矩作用下，孔洞发生剪切变形，孔洞变成平行四边形，在剪力次弯矩作用下，混凝土板受拉力作用，产生裂缝。 随着剪力和剪力次弯矩变大，裂缝增加，最后混凝土板断裂。 (2) 混凝土板局部压碎 在局 部荷载作用下，混凝土板局部被压碎。 (3) 栓钉被压曲或剪断 蜂窝梁与混凝土板之间一般通过栓钉连接形成一个整体，在剪力作用下，界面有相对运动趋势，混凝土与钢梁之间的粘结作用很小，并且出现微小滑动后，这种作用消失，摩擦作用几乎可以忽略。 此时，横向剪力完全由栓钉承担，当剪力增大到一定程度，栓钉被剪曲或剪断。 (4) 栓钉与混凝土板接触处混凝土被挤碎 当栓钉的刚度与强度足够时，栓钉能完全承担横向剪力，随着剪力逐渐变大，栓钉与混凝土接触处混凝土达到抗压强度，局部混凝土被压碎。 蜂窝梁现有设计方法 对于蜂窝梁 强度计算方法，国内外尚无统一的计算公式。 目前，国内外应用的设计计算方法基本有以下几种： (1)实腹梁计算方法：假定蜂窝梁的结构性能和实腹梁相同，按实腹梁计算应力的方法，通过修正系数对计算结果进行修正来考虑孔洞的影响，这种方法误差较大； (2)费氏空腹桁架法：把蜂窝梁看成空腹桁架，是目前应用较多的 一种方法，各国一般都在此理论基础上进行公式的修正。 (3)有限元法：是通过计算机有限元软件进行计算，这种方法计算较精确，但是计算方法复杂，不便于设计人员掌握。 实腹梁抗剪设计方法 对于实腹钢梁的抗剪设计，《钢结构 设计规范》 (GB500172020)[71]对其进行如下规定。 (1) 在主平面内受弯或受剪的实腹构件，其抗剪强度应按下式计算： vwVS fIt () 式中： V — 计算截面平面内剪力； S — 计算处以上毛截面对中和轴的面积距； I — 截面惯性矩； wt — 腹板厚度； vf — 钢材抗剪强度设计值。 (2) 单纯受剪考虑腹板屈曲后强度的抗剪承载力应按下式计算： 当  时： u w w vV h t f () 当  时：  1 0 .5 ( 0 .8 )u w w v sV h t f    () 当  时：  () 式中： s — 用于腹板受剪计算时的通用高厚比，按下式计算。 当 0/  时： 00 20/= 23541 4 5. 34 ( / ) ysfhtha  () 当 0/  时： 00 20/= 23541 5. 34 4( / ) ysfhtha  () 0/ha— 横向加劲肋高度与间距比值，当仅配置支座加劲肋时，取式 ()、 ()中0/ =0ha。 (3) 弯矩、剪力共同作用时，考虑腹板屈曲后强度，应按下式验算抗弯和抗剪承载力： 110 .5 fe u fMM2uV（ ）V () 211 2 22()f f fhM A A h fh () 式中： MV、 — 梁的同一截面上同时产生的弯矩和剪力设计值；计算时，当  ，取 uVV ；当 fMM ，取 = fMM； fM — 梁两翼缘所承担的弯矩设计值； 11fAh、 — 较大翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离； 22fAh、 — 较小翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离； eu uMV、 — 梁抗弯和抗剪承载力设计值。 国外蜂窝梁设计相关规定 一些国家将蜂窝构件的计算方法纳入到了规范当中，但是不同国家其计算方法有一定的区别。 目 前，国外计算蜂窝构件强度的主要方法都是建立在空腹桁架理论的基础之上，在空腹桁架理论的基础上进行推导和改进。 按照空腹桁架理论，蜂窝梁在受 力后截面符合平截面假定，孔洞处截面剪力按上下 T 形截面的刚度分配，剪力引起剪力次弯矩，并且反弯点位于梁桥中点位置。 (1) 抗剪强度计算方法 对于抗剪强度的计算方。