鋼混凝土結(jié)合段結(jié)構(gòu)

1、本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容 本文通過縮尺模型試驗(yàn)以考察鋼本文通過縮尺模型試驗(yàn)以考察鋼混凝土接頭這種壓彎構(gòu)件的承載力及混凝土接頭這種壓彎構(gòu)件的承載力及其力學(xué)性能。并利用其力學(xué)性能。并利用ANSYS有限元軟件對(duì)鋼有限元軟件對(duì)鋼-混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行荷載混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行荷載應(yīng)變、應(yīng)變、變形關(guān)系全過程計(jì)算和工作機(jī)理分析，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比變形關(guān)系全過程計(jì)算和工作機(jī)理分析，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。以驗(yàn)證鋼分析。以驗(yàn)證鋼混凝土接頭做到能比較流暢地傳遞各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力及混凝土接頭做到能比較流暢地傳遞各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力及變形，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中和折角，確保混合結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)久耐用。變形

2、，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中和折角，確?；旌辖Y(jié)構(gòu)安全、經(jīng)久耐用。 本文將在理論分析、試驗(yàn)研究和有限元仿真分析的基礎(chǔ)上對(duì)鋼本文將在理論分析、試驗(yàn)研究和有限元仿真分析的基礎(chǔ)上對(duì)鋼混凝土混凝土接頭變形性能、應(yīng)力分布和其承載力及破壞模式進(jìn)行分析。接頭變形性能、應(yīng)力分布和其承載力及破壞模式進(jìn)行分析。 主要的研究?jī)?nèi)容有：主要的研究?jī)?nèi)容有： 1、鋼、鋼-混凝土結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法；混凝土結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法； 2、鋼、鋼-混凝土結(jié)合段鋼與混凝土的傳力機(jī)制；混凝土結(jié)合段鋼與混凝土的傳力機(jī)制； 3、鋼、鋼-混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)及混凝土應(yīng)力分布及變形；混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)及混凝土應(yīng)力分布及變形； 4、鋼、鋼-混凝土結(jié)合段承

3、載能力及破壞模式；混凝土結(jié)合段承載能力及破壞模式；第一章第一章 緒論緒論1.1鋼鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)1.1.1復(fù)合結(jié)構(gòu)分類復(fù)合結(jié)構(gòu)分類 鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型結(jié)構(gòu)，它是由不同材料結(jié)合成整體結(jié)構(gòu)而共同工作，并能獲得比單一材料結(jié)構(gòu)更佳的特性的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過數(shù)十年的研究和實(shí)踐，鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，又與之密切相關(guān)的一門學(xué)科，其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了土木工程的整個(gè)領(lǐng)域。 隨著鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)合技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，出現(xiàn)了多種復(fù)合方式和結(jié)構(gòu)形式，為了統(tǒng)一名詞定義、避免混淆，日本有學(xué)者對(duì)由異種材

4、料組成的結(jié)構(gòu)做了明確定義和分類：復(fù)合結(jié)構(gòu)是組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的總稱。 組合結(jié)構(gòu)是指構(gòu)件截面由鋼和混凝土等異種材料部件接合成整體結(jié)構(gòu)而共同工作的結(jié)構(gòu)體系，如組合梁、壓型鋼板混凝土板、型鋼混凝土、外包鋼混凝土等結(jié)構(gòu)。 混合結(jié)構(gòu)是部分采用鋼構(gòu)件（例如鋼柱、鋼梁等）、鋼筋混凝土構(gòu)件（鋼筋混凝土柱、鋼筋混凝土梁等）、組合構(gòu)件（鋼骨混凝土、鋼管混凝土、組合梁）中的兩種或兩種以上的構(gòu)件組合成整體的結(jié)構(gòu)。1.1.2鋼鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域近年來發(fā)展很快的一個(gè)方向。復(fù)合結(jié)構(gòu)多運(yùn)用于高層建筑及大跨橋梁。鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)利用了鋼材和混凝土各自的材料性能，具有承載

5、力高、剛度大、構(gòu)建節(jié)目尺寸小、施工快速方便等優(yōu)點(diǎn)。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)可以減小構(gòu)件截面尺寸、減輕結(jié)構(gòu)自重、減小地震作用、增加有效使用空間、降低基礎(chǔ)造價(jià)、方便安裝、縮短施工周期、增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性等優(yōu)點(diǎn)；同鋼結(jié)構(gòu)相比，具有可減小用鋼量、增大剛度、增加穩(wěn)定性和整體性、提高結(jié)構(gòu)的抗火性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展、鋼產(chǎn)量的大幅提高、鋼材品種的增加、科研工作的深入、應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積，鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)在我國(guó)也得到迅速的發(fā)展和越來越廣泛的運(yùn)用，應(yīng)用范圍已經(jīng)涉及到建筑、橋梁、高聳建筑、地下結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域。例如我國(guó)的已建成的金茂大廈、深圳地王大廈、賽格廣場(chǎng)等超高層建筑，全部

6、或部分采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)。同時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)還非常適用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系，如重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋、舟山桃夭門大橋、青洲閩江大橋。工程應(yīng)用實(shí)踐證明，復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以用傳統(tǒng)的施工方法和簡(jiǎn)單的施工工藝獲得優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，非常適合我國(guó)現(xiàn)階段基本建設(shè)的國(guó)情，是具有廣闊的應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)體系之一。 近年來，橋梁建設(shè)的快速發(fā)展得益于鐵路和高速公路基礎(chǔ)建設(shè)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。鋼混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)類型橋梁相對(duì)于其他類型橋梁具有良好的技術(shù)特點(diǎn)和較高的成本效益，不但適用于大跨徑橋梁建設(shè)，而且在中小跨徑橋梁建設(shè)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。1.3鋼與混凝土的連接鋼

7、與混凝土的連接 鋼與混凝土結(jié)合段時(shí)一般采用以下幾種方案：焊接鋼筋錨固式、PBL剪力鍵式、剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式和外法蘭盤預(yù)壓式等四種設(shè)計(jì)方案。1.3.1焊接鋼筋錨固式焊接鋼筋錨固式 焊接鋼筋錨固式鋼-混結(jié)合段方案多用于早期的鋼管混凝土系桿拱橋和鋼箱結(jié)構(gòu)中。通過在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁焊接粗鋼筋，利用粗鋼筋在混凝土塔座中的握裹，并在連接區(qū)段設(shè)置足夠的承壓鋼筋網(wǎng)和其它構(gòu)造鋼筋，實(shí)現(xiàn)混凝土與鋼箱的可靠連接，同時(shí)將部分段落的鋼構(gòu)件埋置于混凝土塔座中。1.3.2 PBL剪力鍵式剪力鍵式 南京長(zhǎng)江三橋鋼塔與混凝土橋墩的連接方案，在國(guó)內(nèi)率先引入主要承壓構(gòu)件使用PBL剪力鍵的模式，在進(jìn)行鋼箱與混凝土錨固時(shí)，將鋼箱插入混

8、凝土體內(nèi)一段長(zhǎng)度，插入段四邊腹板和中間縱隔板開設(shè)直徑6 cm左右的圓孔，圓孔內(nèi)放置直徑32的粗鋼筋，采用特殊工藝保證粗鋼筋位于圓孔中心，鋼塔內(nèi)力傳遞依靠混凝土與鋼筋共同組成的剪力鍵受剪和鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力實(shí)現(xiàn)。1.3.3剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式 剪力釘配合體外預(yù)應(yīng)力錨固式鋼混結(jié)合段處理方案是北京市路橋工程中最常用的方案，此方案通過在鋼箱端部焊接圓頭焊釘，塔座預(yù)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束，在連接段上端設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨箱，通過張拉預(yù)應(yīng)力鋼束實(shí)現(xiàn)鋼箱與混凝土塔座的固結(jié)，并通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉噸位控制鋼混結(jié)合面在任意荷載作用條件下始終處于受壓狀態(tài)。1.4 研究背景研究背景1.4.1橋梁概況橋梁概

9、況 五渡橋是北京市房山區(qū)淶寶路西關(guān)上一座橋梁，跨越拒馬河，位于十渡風(fēng)景區(qū)內(nèi)（項(xiàng)目地理位置見圖1.8）。項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)全長(zhǎng)550m，起點(diǎn)樁號(hào)K0+000,與現(xiàn)況淶寶路接順；終點(diǎn)樁號(hào)K0+550，與新建四渡橋相接。淶寶路為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為40km/h，路基寬18m，路面寬12m，設(shè)計(jì)汽車荷載為公路級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。1.4.2傾斜型預(yù)壓式鋼傾斜型預(yù)壓式鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)混結(jié)合段設(shè)計(jì) 本橋設(shè)計(jì)中采用內(nèi)法蘭預(yù)壓式實(shí)現(xiàn)鋼塔與混凝土塔座連接的方案。鋼架塔A段與塔座間采用施加高強(qiáng)螺栓預(yù)壓力和設(shè)置鋼混連接段的模式進(jìn)行。連接時(shí)，首先進(jìn)行剛架塔A段與塔座預(yù)埋鋼板的連接，采用

10、連接螺母接長(zhǎng)高強(qiáng)螺栓后，澆筑剛架塔內(nèi)鋼混段混凝土，最后在鋼混段頂錨固板進(jìn)行接長(zhǎng)高強(qiáng)螺桿的緊固。高強(qiáng)螺栓和螺桿均為10.9SM24高強(qiáng)螺栓和螺桿，設(shè)計(jì)預(yù)緊力為225kN，均采用定扭矩扳手施工。1.5研究現(xiàn)狀及存在問題研究現(xiàn)狀及存在問題 隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，橋梁造型變化日新月異，混合結(jié)構(gòu)不光運(yùn)用于大跨徑斜拉橋、梁橋和拱橋建設(shè)中。為了達(dá)到優(yōu)美而獨(dú)特的環(huán)境效果，大量設(shè)計(jì)新穎的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)。盡管現(xiàn)代計(jì)算理論方法已經(jīng)能夠分析橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)力問題，但是計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的差異。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼-混結(jié)合段研究的文獻(xiàn)資料大多數(shù)是針對(duì)混合梁斜拉橋和梁橋進(jìn)行的，其結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、應(yīng)力分布

11、以及傳力機(jī)制與三角剛架懸吊連續(xù)梁橋有著很大的不同，難以直接推廣運(yùn)用，只能用作設(shè)計(jì)的參考和借鑒。尤其是本項(xiàng)目采用內(nèi)法蘭預(yù)壓式實(shí)現(xiàn)鋼塔與混凝土塔座連接的方案，并且采用預(yù)壓高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。因此需要對(duì)其受力性能做出綜合分析，并對(duì)其合理性做出研究。1.6本文所研究?jī)?nèi)容本文所研究?jī)?nèi)容 1、鋼-混凝土結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法； 2、鋼-混凝土結(jié)合段鋼與混凝土的傳力機(jī)制； 3、鋼-混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)及混凝土應(yīng)力分布及變形； 4、鋼-混凝土結(jié)合段承載能力及破壞模式；第二章第二章 鋼鋼混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型有混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型有限元分析限元分析2.1有限元單元介紹有限元單元介紹 在采用ANSYS進(jìn)行有

12、限元仿真分析中，混凝土選用SOLID65實(shí)體單元模擬，鋼板選用SHELL93殼單元模擬，高強(qiáng)螺栓選用LINK8桿單元模擬。2.2有限元模型建立有限元模型建立 本文擬用有限元程序ANSYS對(duì)塔座鋼-混結(jié)合段進(jìn)行實(shí)體仿真模擬，有效分析結(jié)構(gòu)的受力特性。有限元模型的建立如下所示：仿真計(jì)算模型比例取4:1。鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)500mm，向混凝土塔座方向取500mm混凝土段，向鋼箱方向取500mm鋼箱段，模型的總長(zhǎng)度為1500mm。同時(shí)滿足仿真計(jì)算模型能較真實(shí)的反映實(shí)橋鋼-混凝土結(jié)合段受力情況。 仿真分析時(shí)建模的原則應(yīng)該滿足：1）模型盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。2）對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，但又不要太過于簡(jiǎn)化。

13、這樣就既能保證模型具有足夠的精度，又能滿足模型計(jì)算效率，并力求結(jié)果準(zhǔn)確合理。 在項(xiàng)目實(shí)體橋梁結(jié)構(gòu)中鋼-混結(jié)合段為傾斜型預(yù)壓式結(jié)構(gòu)，施工階段和使用階段受力比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化建模，擬采用以下基本假定： （1）鋼-混結(jié)合段兩端尺寸差距不大，擬采用采用上下尺寸相等的簡(jiǎn)化方式來建模。 （2）高強(qiáng)螺栓（LINK8單元）、鋼結(jié)構(gòu)（SHELL63單元）、混凝土（SOLID65單元）采用共節(jié)點(diǎn)關(guān)系處理。 （3）在鋼混結(jié)合段內(nèi)，忽略鋼板與混凝土之間的相對(duì)滑移，認(rèn)為高強(qiáng)螺栓可以有效地保證鋼板與混凝土的協(xié)同工作。 （4）在混凝土塔座的仿真模擬中，將鋼筋彌散在混凝土中，假定鋼筋與混凝土粘結(jié)良好，無相對(duì)滑移。 （5）在模型

14、的受力狀態(tài)模擬中對(duì)荷載進(jìn)行了等效處理：軸向力簡(jiǎn)化為均布荷載作用于軸向鋼箱表面上、彎矩簡(jiǎn)化為均布荷載形成的力偶作用于鋼結(jié)構(gòu)上緣。 有限元理論分析考慮了材料非線性和邊界非線性，分別通過給定材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、創(chuàng)建接觸對(duì)來實(shí)現(xiàn)。高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力采用降溫法來模擬，鋼-混凝土結(jié)合部塔座底部按固結(jié)考慮。加載工況按承載能力極限狀態(tài)下最大軸力作用效應(yīng)組合和最大彎矩作用效應(yīng)組合來考慮，另外，為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)的非線性行為，軸向上保持最大軸力不變，通過逐步加大側(cè)向力來研究結(jié)構(gòu)的破壞形式。依據(jù)上述原則建立的鋼混結(jié)合段三維空間有限元模型如圖： 2.3鋼鋼混結(jié)合段有限元分析研究混結(jié)合段有限元分析研究 鋼混凝土結(jié)合段局

15、部有限元分析主要是對(duì)承載能力極限狀態(tài)下最大軸力荷載組合和最大彎矩荷載組合下的結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)合段的破壞作進(jìn)一步研究。2.3.1結(jié)合段受力機(jī)理結(jié)合段受力機(jī)理 鋼與混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)方案根據(jù)所采用連接方式的不同可分為以下幾種：焊接鋼筋錨固式、PBL剪力鍵式、剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式和外法蘭盤預(yù)壓式等。 傾斜型內(nèi)法蘭預(yù)壓式連接鋼-混結(jié)合段，采用高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力，使結(jié)構(gòu)首先有了預(yù)應(yīng)力，有效防止了混凝土結(jié)合面上產(chǎn)生拉應(yīng)力，并有效預(yù)防混凝土裂縫的產(chǎn)生。在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使塔底邊緣的拉力不超過高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力設(shè)計(jì)值，保證混凝土塔座始一直處于受壓的狀態(tài)。2.3.2最大軸力荷載組合最大軸力荷

16、載組合 1結(jié)合段混凝土塔座應(yīng)力分析 最大軸力作用效應(yīng)組合下，鋼-混結(jié)合段混凝土塔座應(yīng)力分布云圖如圖。由于對(duì)高強(qiáng)螺栓施加了預(yù)緊力，混凝土塔座除頂端受拉側(cè)外基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力除個(gè)別點(diǎn)偏大外基本分布在為1Mpa左右，其受力狀況與設(shè)計(jì)相吻合。另外，由于彎矩的存在導(dǎo)致受拉側(cè)混凝土塔座底部產(chǎn)生了的較小拉應(yīng)力，這是由實(shí)際受力狀態(tài)等效加載方式所致。 2結(jié)合段鋼箱應(yīng)力分析 最大軸力作用效應(yīng)組合下，鋼-混結(jié)合段內(nèi)鋼箱的應(yīng)力云圖如圖2.6。由圖可以看出，鋼箱總體表面的應(yīng)力分布在15Mpa左右，但也有個(gè)別點(diǎn)應(yīng)力偏大，最大應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力也在60Mpa以下，遠(yuǎn)小于鋼材的屈服應(yīng)力。 3高強(qiáng)螺栓應(yīng)力分析 下圖為最大軸

17、力作用效應(yīng)組合下鋼混結(jié)合段內(nèi)高強(qiáng)螺栓的軸向應(yīng)力分布云圖。由圖可見，高強(qiáng)螺栓的軸向應(yīng)力都在在250MPa以下，小于其屈服強(qiáng)度。2.3.3最大彎矩荷載組合最大彎矩荷載組合 1鋼-混結(jié)合段混凝土塔座應(yīng)力分析 最大彎矩作用效應(yīng)組合下，鋼-混結(jié)合段混凝土塔座應(yīng)力分布云圖如圖。從圖中可以看出，由于高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的作用，混凝土塔座除頂端受拉側(cè)外基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力除個(gè)別點(diǎn)偏大外基本分布在為1Mpa左右。另外，由于彎矩的存在導(dǎo)致受拉側(cè)混凝土塔座底部產(chǎn)生了的拉應(yīng)力，與最大軸力作用效應(yīng)組合下的拉應(yīng)力相比，拉應(yīng)力略有增大，這與實(shí)際加載狀況相吻合。 2結(jié)合段鋼箱應(yīng)力分析 最大彎矩作用效應(yīng)組合下，鋼-混結(jié)合段內(nèi)鋼箱

18、的應(yīng)力云圖如圖。由圖可看出，鋼箱總體表面的應(yīng)力值分布在15 Mpa左右，有個(gè)別點(diǎn)應(yīng)力比較集中，其應(yīng)力值大約為52.6Mpa，但遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度。 3高強(qiáng)螺栓應(yīng)力分析 下圖為最大彎矩作用效應(yīng)組合下鋼混結(jié)合段內(nèi)高強(qiáng)螺栓的軸向應(yīng)力分布云圖。由圖可見，比最大彎矩組合條件下應(yīng)力偏大，但高強(qiáng)螺栓的軸向應(yīng)力都在250 MPa以下，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度。2.4本章小結(jié)本章小結(jié) 通過最大內(nèi)力效應(yīng)組合分析，結(jié)合面基本處于受壓狀態(tài)，而且混凝土局部承壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，通過理論分析表明鋼-混凝土結(jié)合段滿足最大承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。另外，模型結(jié)構(gòu)的鋼箱和高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力值都遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，鋼-混結(jié)合段具有一定的安全

19、儲(chǔ)備，工作性能良好。第三章第三章 鋼鋼混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型試混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型試驗(yàn)原理驗(yàn)原理3.1材料本構(gòu)關(guān)系及屈服準(zhǔn)則材料本構(gòu)關(guān)系及屈服準(zhǔn)則3.1.1鋼的本構(gòu)關(guān)系及屈服準(zhǔn)則鋼的本構(gòu)關(guān)系及屈服準(zhǔn)則 對(duì)于Q235鋼、Q345鋼等土木工程中常用的低碳鋼，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變（-）關(guān)系曲線一般可分為彈性階段（oa）、彈塑性階段（ab）、塑性階段（bc）、強(qiáng)化階段（cd）和二次塑流（de）等五個(gè)階段。鋼材實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖所示。0abcdefufyfpee 1e 2e 33.1.2混凝土的本構(gòu)關(guān)系混凝土的本構(gòu)關(guān)系 混凝土作為土木工程中應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，其本質(zhì)的特點(diǎn)是材料組成的

20、不均勻性，且存在天生的微裂縫，由此決定了其特征工作機(jī)理是：微裂縫發(fā)展、運(yùn)行、從而構(gòu)成較大的宏觀裂縫，繼之宏觀裂縫又發(fā)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中混凝土的破壞?；炷恋倪@種工作機(jī)理決定了其工作性能的復(fù)雜性。 Hognestad建議的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式是目前國(guó)內(nèi)外采用最為廣泛的曲線（如圖），其上升段為拋物線變化，下降段為斜直線變化。該曲線取斜率為15%的斜直線來考慮混凝土的下降段，表達(dá)簡(jiǎn)潔，又抓住了主要特征，因而得到廣泛應(yīng)用。0u0011E0Ea0 . 1 5 03.1.3螺栓連接件受力狀態(tài)與破壞形態(tài)螺栓連接件受力狀態(tài)與破壞形態(tài) 當(dāng)小量值的作用力作用于螺栓構(gòu)件時(shí)，其抵抗外力的能力主要靠?jī)蓪愉摪逯g的摩擦力來承擔(dān)

21、。當(dāng)外荷載大于抗摩擦極限值后，兩層鋼板之間將產(chǎn)生相對(duì)滑移，螺桿因與孔壁作用開始受到剪力作用，孔壁受到壓力作用。當(dāng)螺栓連接構(gòu)件處于彈性工作階段時(shí)，螺栓受到的力值存在差異，一般中間受力較小，兩邊受力較大。隨著外荷載的增加，構(gòu)件進(jìn)入塑性工作階段，螺栓之間的力值基本相等，一直到破壞。 而對(duì)于高強(qiáng)螺栓，在擰緊時(shí)，螺栓中產(chǎn)生了很大的預(yù)拉力，而被連接板件間則產(chǎn)生很大的預(yù)壓力。連接受力后，由于接觸面上產(chǎn)生的摩擦力，能在相當(dāng)大的荷載情況下阻止板件間的相對(duì)滑移，因而彈性工作階段較長(zhǎng)。 由此可見，首先高強(qiáng)螺栓所用材料本身強(qiáng)度高，再之對(duì)高強(qiáng)螺栓施加了預(yù)緊力以后，螺栓構(gòu)件兩層鋼板之間將產(chǎn)生很大的壓力，從而大大提高了其摩

22、擦力。對(duì)于短頭的高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件，其螺栓群受力比較均勻，基本在達(dá)到極限強(qiáng)度后同時(shí)破壞：對(duì)于較長(zhǎng)螺桿的連接構(gòu)件，螺栓之間受力差異很大，最邊緣的高強(qiáng)羅栓首先達(dá)到極限強(qiáng)度破壞，接著內(nèi)力重新分布，中間的螺栓受力增大直至強(qiáng)度極限而破壞，最終整個(gè)高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件破壞。3.2模型試驗(yàn)原理模型試驗(yàn)原理3.2.1模型試驗(yàn)的概述模型試驗(yàn)的概述 模型試驗(yàn)是指根據(jù)具體的實(shí)際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，按一定的相似關(guān)系縮小為結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)可根據(jù)相似關(guān)系直接換算為原型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。模型試驗(yàn)作為結(jié)構(gòu)性能分析的手段，在近代工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展中起著重要的作用。 一、模型試驗(yàn)的應(yīng)用 1.代替大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)或作為大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的輔助試驗(yàn)。

23、 2.作為結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的輔助手段。 3.驗(yàn)證和發(fā)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。 二、模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 1. 優(yōu)點(diǎn) 1）經(jīng)濟(jì)性好。2）針對(duì)性強(qiáng)。3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 2缺點(diǎn)及不足 試驗(yàn)用模型雖可在許多基本假設(shè)與主要因素方面模擬實(shí)物，但在一些局部的細(xì)節(jié)方面卻很難實(shí)現(xiàn)，例如結(jié)構(gòu)的連接接頭，焊縫的特性，某些應(yīng)力集中因素等，很難在模型試驗(yàn)中得到反映。3.2.2量綱分析量綱分析 在討論相似定理時(shí)，我們往往假定已知結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各物理量之間的基本關(guān)系。而進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)時(shí)，并不能確切地知道關(guān)于結(jié)構(gòu)性能的某些關(guān)系，這時(shí)，借助于量綱分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體系的基本性能做出判斷。 一、量綱定義： 量綱，又稱因次，他說明測(cè)量物理量時(shí)所采用的單

24、位性質(zhì)。度量單位有兩種含義：一是表示被度量的物理量的類型，另一是表示度量單位的大小。稱被度量的物理量的類型為該物理量的量綱。 二、量綱關(guān)系 在一物理現(xiàn)象中，各物理量間既有區(qū)別又有聯(lián)系，因此，它們的量綱之間也存在一定的關(guān)系 1. 兩個(gè)物理量相等，是指不僅數(shù)值相等，而且量綱也相同。 2. 兩個(gè)同量綱參數(shù)的比值是無量綱參數(shù)，其數(shù)值不隨所取單位的大小而變。 3. 在一物理方程中，等式兩邊各項(xiàng)的量綱必須相同。 4. 導(dǎo)出量綱可以和基本量綱組成無量綱的組合。3.2.3模型的相似理論模型的相似理論 一、 相似的概念 1. 幾何相似 如果模型上所有方向的線性尺寸，均按原型相應(yīng)尺寸用同一比例常數(shù)確定則此模型與原

25、模型幾何相似。 2. 荷載相似 如果模型所有位置上作用的荷載與原型在對(duì)應(yīng)位置上的荷載方向一致，大小成同一比例，成為荷載相似。 3. 時(shí)間相似 在動(dòng)力問題中，如果模型上的速度、加速度與原型的速度和加速度在對(duì)應(yīng)的位置和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻保持一定的比例，并且運(yùn)動(dòng)的方向一致，則稱為速度和加速度相似。所謂時(shí)間相似則不一定是指相同的時(shí)刻，而是只要對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔保持同一比例。 二、相似原理 對(duì)于結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，其目的就是研究結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力和變形形態(tài)。為使模型上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象與原型相似，模型的幾何形狀、材料特性、邊界條件和外部荷載等就必須遵循一定的規(guī)律，這種規(guī)律就是相似原理。3.3本章小結(jié)本章小結(jié) 本章通過介紹模型試驗(yàn)的

26、相似準(zhǔn)則、量綱分析以及模型設(shè)計(jì)的原則，得出本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨茰?zhǔn)則：應(yīng)變相等,即模型和實(shí)橋保持應(yīng)變相等；應(yīng)力相等,即模型和實(shí)橋保持應(yīng)力相等；應(yīng)變或應(yīng)力保持一定的比例關(guān)系,即介于應(yīng)變相等和應(yīng)力相等之間。根據(jù)這3個(gè)條件,可分別導(dǎo)出集中荷載、分布荷載等的相似關(guān)系。如果模型和原型所用材料相同,即彈性模量相等,則無論應(yīng)力相等或應(yīng)變相等,所導(dǎo)出的荷載、位移等關(guān)系都是相同的。第四章第四章 鋼鋼混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型試混凝土塔座預(yù)應(yīng)力結(jié)合段模型試驗(yàn)驗(yàn)4.1模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì) 房山五渡橋采用高強(qiáng)螺栓連接件、前壓鋼板填充混凝土應(yīng)用在大角度鋼架塔基結(jié)合段上，這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)尚屬首次?？紤]到房山五渡橋鋼架塔和混凝

27、土塔基結(jié)合段設(shè)計(jì)的實(shí)際受力特性，本實(shí)驗(yàn)的目的主要是掌握鋼混結(jié)合段高強(qiáng)螺栓連接件的的力學(xué)行為。為了盡量真實(shí)反映實(shí)橋情況，最終選用了大比例尺模型，并考慮到模型的制作難度、試驗(yàn)加載條件及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性等方面的綜合因素，最終確定以1：4的比例進(jìn)行模型試驗(yàn)。4.2模型試驗(yàn)?zāi)康哪Ｐ驮囼?yàn)?zāi)康?1）驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的可靠性 2）驗(yàn)證設(shè)計(jì)荷載下鋼架塔基鋼混結(jié)合段的安全性及合理性 3）研究鋼混結(jié)合段的應(yīng)力分布規(guī)律 4）高強(qiáng)螺栓連接件的力學(xué)性能、應(yīng)力分布及破壞形式4.3模型設(shè)計(jì)及制作模型設(shè)計(jì)及制作 在模型試驗(yàn)中，模型設(shè)計(jì)的原則是：對(duì)模型局部進(jìn)行簡(jiǎn)化處理應(yīng)忽略一些次要因素，且能夠反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征,。根據(jù)試

28、驗(yàn)場(chǎng)地范圍，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備狀況，以及實(shí)體結(jié)構(gòu)的大小來確定試件的尺寸。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)構(gòu)存在著比例大小的不同，所以其內(nèi)力分布與實(shí)際結(jié)構(gòu)相比就存在一定的差異，但其應(yīng)力應(yīng)該與實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)基本一致。4.3.1模型比例模型比例 綜合考慮到實(shí)體結(jié)構(gòu)的大小、場(chǎng)地范圍和現(xiàn)存設(shè)備狀況，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M采用1:4的幾何比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，并有公式推導(dǎo)出模型試件結(jié)構(gòu)的剪力、軸力、彎矩等的比例系數(shù)如表所示。項(xiàng)目項(xiàng)目幾何幾何模量模量慣性矩慣性矩面積面積力力彎矩彎矩應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變相似常數(shù)相似常數(shù)EIAFM相似比相似比4144424243114.3.2模型尺寸模型尺寸 結(jié)合段試驗(yàn)中取用的試件取實(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的主要部分，試件由混凝

29、土基座、高強(qiáng)螺栓連接件、前壓鋼板混凝土、鋼板四部分構(gòu)成。模型材料采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同的材料，具體構(gòu)造示意圖如圖4.1所示。4.3.3測(cè)點(diǎn)選取及布置測(cè)點(diǎn)選取及布置 本模型試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容為高強(qiáng)螺栓的力學(xué)性能及鋼混結(jié)合段各種材料的應(yīng)力分布規(guī)律和傳力途徑。因此在模型具有代表性的高強(qiáng)螺栓、塔座混凝土表面及鋼箱表面等部位總共布置82個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，并在鋼架塔與拱座接合面的兩層鋼板間布設(shè)1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。其中混凝土澆注之前在高強(qiáng)螺栓上布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)，預(yù)埋應(yīng)變片；混凝土澆筑后在混凝土塔基表面布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)；鋼箱表面布設(shè)32個(gè)測(cè)點(diǎn)，均為應(yīng)變片。用于測(cè)試各種加載工況下模型各構(gòu)件承擔(dān)的荷載及其應(yīng)力的分布情況。具體布置形式

30、如圖所示。4.3.4模型施加荷載設(shè)計(jì)模型施加荷載設(shè)計(jì) 1）試驗(yàn)等效荷載分析 根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)原理，本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力等效的原則計(jì)算試驗(yàn)加載荷載值。軸力通過試驗(yàn)構(gòu)件上方的液壓千斤頂施加，側(cè)向力通過試驗(yàn)構(gòu)件側(cè)面的機(jī)械千斤頂施加。 在實(shí)際結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)作用組合中的基本組合下，選取最大彎矩效應(yīng)組合（考慮自重、預(yù)應(yīng)力、橋面鋪裝和整體降溫），最大軸力效應(yīng)組合（考慮自重、預(yù)應(yīng)力、橋面鋪裝、車道偏載和整體降溫）兩種荷載組合計(jì)算試驗(yàn)荷載如表所示。對(duì)象最大彎矩組合最大軸力組合彎矩(KNM)軸力（KN）彎矩(KNM)軸力（KN）實(shí)際結(jié)構(gòu)12489.348532.5511710.829076.06模型

31、195.15533.28182.98567.25 由上表確定兩種試驗(yàn)加載工況分別為： 最大彎矩荷載組合：軸向力N1 =533.28KN，水平力Q1=229.59KN； 最大軸力荷載組合：軸向力N2 =567.25KN，水平力Q2=215.27KN； 由此確定試驗(yàn)加載的最大值為：軸向力Nmax=567.25 KN，水平力 Qmax=229.59 KN 而考慮模型鋼-混結(jié)合面以上結(jié)構(gòu)自重作用，最終試驗(yàn)加載工況為： 最大彎矩荷載組合：軸向力N1 =516.4KN，水平力Q1=229.59KN； 最大軸力荷載組合：軸向力N2 =550.4KN，水平力Q2=215.27KN； 1.2倍的最大彎矩荷載組合

32、：軸向力1.2N1=619.7 KN，水平力1.2Q1=275.51 KN； 1.2倍的最大軸力荷載組合：軸向力1.2N2=660.5 KN，水平力1.2Q2=258.32 KN； 2）試驗(yàn)加載方案最大軸力荷載組合加載最大彎矩荷載組合加載1.2倍最大軸力荷載組合加載1.2倍最大彎矩荷載組合加載破壞加載軸向力水平力軸向力水平力軸向力水平力軸向力水平力軸向力水平力00000000001005010060100501006010060200802009020080200902009030011030012030011030012020012040014040015040014040015020015

33、0450170450180450170450180200180500200500210500200500210200210550215516.4229.6550220550230200230600240600250200240660258620275200270200300200330200360 試驗(yàn)過程加載分兩步進(jìn)行：第一步是從0加載到最大軸力荷載組合中第一級(jí)加載工況大小，然后再卸載到0，循環(huán)三次進(jìn)行，目的是考察試件在重復(fù)使用荷載作用下的變形行為，包括高強(qiáng)螺栓、鋼板、混凝土的協(xié)調(diào)變形性能以及試件的彈性恢復(fù)性能，以消除非線性的影響，并檢查各儀器工作是否正常。第二步是按照試驗(yàn)分級(jí)加載噸位表（如

34、表3.4-6）進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)荷載穩(wěn)壓15分鐘以便讀數(shù)，用肉眼在塔座混凝土表面尋找和觀察裂縫，若出現(xiàn)裂縫則使用讀數(shù)顯微鏡測(cè)度裂縫寬度，并記錄裂縫出現(xiàn)和發(fā)展情況。觀測(cè)完畢后，讀數(shù)測(cè)試三次，查看測(cè)試數(shù)據(jù)無明顯變化后再進(jìn)行下一加載工況。4.3.5加載實(shí)施方案加載實(shí)施方案 1）試驗(yàn)加載裝置 模型試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室完成。水平加載設(shè)備和豎向加載設(shè)備采用50t機(jī)械千斤頂和100t液壓千斤頂，試驗(yàn)前通過加載標(biāo)定千斤頂加載大小以保證其加載精度。 2）加載及實(shí)驗(yàn)圖示固 定 裝 置加 載 示 意 圖豎 向 力水 平 力4.3.6模型細(xì)部要求模型細(xì)部要求 1）鋼混結(jié)合面兩層鋼板經(jīng)過噴砂處理。 2）澆注

35、拱座混凝土?xí)r，應(yīng)注意預(yù)埋螺栓及定位承壓鋼筋網(wǎng)，螺栓應(yīng)嚴(yán)格定位。 3）所有頂?shù)赘拱彘g焊縫為單面坡口焊縫，雙面成型，并應(yīng)進(jìn)行打磨。4.4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析模型試驗(yàn)結(jié)果分析 模型試驗(yàn)的所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)全部由數(shù)據(jù)采集儀直接讀取，并且我們對(duì)模型試件不同位置應(yīng)變片的局部坐標(biāo)作出以下規(guī)定，以方便繪圖。 1對(duì)于混凝土塔座處應(yīng)變片，取塔座混凝土頂端為1點(diǎn)，垂直下方為依次個(gè)測(cè)點(diǎn)； 2對(duì)于鋼箱上應(yīng)變片，取鋼箱頂端為1點(diǎn)，垂直下方為依次個(gè)測(cè)點(diǎn)； 3對(duì)于高強(qiáng)螺栓處應(yīng)變片，取鋼混結(jié)合面處為X坐標(biāo)原點(diǎn)，向兩端為正方向；4.4.1 最大軸力荷載組合作用結(jié)果最大軸力荷載組合作用結(jié)果 本階段試驗(yàn)共進(jìn)行了最大軸力荷載組合和1.2倍

36、最大軸力荷載組合兩種荷載組合的加載過程。實(shí)驗(yàn)過程中，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載的作用下表現(xiàn)平穩(wěn)，無任何異常現(xiàn)象產(chǎn)生。通過對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較分析，模型試件的高強(qiáng)螺栓、鋼箱、混凝土等材料的應(yīng)變值都隨著荷載等級(jí)的增加大致呈線性增加，變化協(xié)調(diào)平穩(wěn)。通過肉眼觀察，試件各種材料的無裂縫產(chǎn)生，并且在卸載后基本不存在殘余應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋼-混凝土結(jié)合段模型試件始終處于彈性工作階段，儲(chǔ)備安全，工作性能良好。 鋼混凝土結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下圖為最大軸力荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件混凝土應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為混凝土上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸

37、位表。從圖中可以看出，混凝土各測(cè)點(diǎn)基本上都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化。在各級(jí)荷載的作用下，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?510-6左右，其值遠(yuǎn)小于混凝土的極限抗壓應(yīng)變值，說明模型試件混凝土塔座工作狀態(tài)始終處于彈性階段。 鋼混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下兩圖分別為最大軸力荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件鋼箱應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為鋼箱上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，鋼箱上各測(cè)點(diǎn)基本上都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的

38、變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。在各級(jí)荷載的作用下，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?6310-6左右，其值遠(yuǎn)小于鋼箱的極限抗壓應(yīng)變值，說明模型試件鋼箱工作狀態(tài)始終處于彈性階段，儲(chǔ)備安全。 鋼混凝土結(jié)合段高強(qiáng)螺栓應(yīng)變分析 下圖分別為最大軸力荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件高強(qiáng)螺栓應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的坐標(biāo)設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，高強(qiáng)螺栓上各測(cè)點(diǎn)都處于受拉的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，螺栓的最大應(yīng)力位于鋼-混結(jié)合面處。 由模型試件各種材料試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在最大軸力荷載組合、1.2倍最大軸力荷載

39、組合的各級(jí)加載荷載作用下，變化趨勢(shì)一致，無裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)合面處無滑移、開裂及剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作階段，受力平穩(wěn)，儲(chǔ)備安全，滿足設(shè)計(jì)要求。4.4.2 最大彎矩荷載組合作用結(jié)果最大彎矩荷載組合作用結(jié)果 本階段試驗(yàn)共進(jìn)行了最大彎矩荷載組合和1.2倍最大彎矩荷載組合兩種荷載組合的加載過程。實(shí)驗(yàn)過程中，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載的作用下表現(xiàn)平穩(wěn)，無任何異常現(xiàn)象產(chǎn)生。通過對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較分析，模型試件的高強(qiáng)螺栓、鋼箱、混凝土等材料的應(yīng)變值都隨著荷載等級(jí)的增加大致呈線性增加，變化協(xié)調(diào)平穩(wěn)。通過肉眼觀察，試件各種材料的無裂縫產(chǎn)生，并且在卸載后基本不存在殘余應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋼-

40、混凝土結(jié)合段模型試件始終處于彈性工作階段，儲(chǔ)備安全，工作性能良好。 鋼混凝土結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下圖為最大彎矩荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件混凝土應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為混凝土上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，混凝土各測(cè)點(diǎn)除結(jié)構(gòu)上緣外基本上都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化。在各級(jí)荷載的作用下，混凝土下緣最大壓應(yīng)變?yōu)?210-6左右，上緣最大拉應(yīng)變?yōu)?010-6左右，其值遠(yuǎn)小于混凝土的極限應(yīng)變值，說明模型試件混凝土塔座工作狀態(tài)始終處于彈性階段。 鋼混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下圖分別為最大彎

41、矩荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件鋼箱應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為鋼箱上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，鋼箱上各測(cè)點(diǎn)基本上都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。在各級(jí)荷載的作用下，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?5910-6左右，其值遠(yuǎn)小于鋼箱的極限抗壓應(yīng)變值，說明模型試件鋼箱工作狀態(tài)始終處于彈性階段，儲(chǔ)備安全。 鋼混凝土結(jié)合段高強(qiáng)螺栓應(yīng)變分析 下圖分別為最大彎矩荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件高強(qiáng)螺栓應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其

42、中測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的坐標(biāo)設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，高強(qiáng)螺栓上各測(cè)點(diǎn)都處于受拉的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，螺栓的最大應(yīng)力位于鋼-混結(jié)合面處。 由模型試件各種材料試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在最大彎矩荷載組合、1.2倍最大彎矩荷載組合的各級(jí)加載荷載作用下，變化趨勢(shì)一致，無裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)合面處無滑移、開裂及剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作階段，受力平穩(wěn)，儲(chǔ)備安全，滿足設(shè)計(jì)要求。4.5試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較分析試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較分析4.5.1最大軸力荷載組合作用最大軸力荷載組合作用 下表分別為模型試件的混凝

43、土、鋼箱、高強(qiáng)螺栓等材料的測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)值分析。其中加載工況選擇的是最大軸力組合下的最高一級(jí)荷載值，對(duì)于已損壞的應(yīng)變片我們用空格代替，我們規(guī)定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。 混凝土塔座表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0175325475625775950計(jì)算值（MPa）1.350.400.21-0.49-0.84-1.10-3.02試驗(yàn)值（MPa）0.280.20-0.13-0.93-1.11-1.56-2.44 鋼箱表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)算值（MPa）6.766.32-7.03-12.77-18.73-26.60-

44、25.11試驗(yàn)值（MPa）1.03-3.81-10.82-23.18-10.20-74.68-7.62測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)算值（MPa）-0.41-4.17-7.90-11.19-12.55-13.28-12.98試驗(yàn)值（MPa）-1.75-4.33-11.85-13.39-10.82-23.56-4.12 高強(qiáng)螺栓表面應(yīng)力X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）267.91266,24261.88249.99215.70試驗(yàn)值（MPa）/334.30319.08304.26298.28X=處測(cè)點(diǎn)

45、位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）263.44261.54257245.13211.40試驗(yàn)值（MPa）331.66/331.66310.38284.88X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）255.2252.80247.77235.77203.01試驗(yàn)值（MPa）/327.75/308.18277.98X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）251.30248.45243230.85198.55試驗(yàn)值（MPa）310.28297.38273.18307.15278

46、.78 由上面各表所列各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)可見： A. 從表可以看出，在最大軸力荷載組合的最大一級(jí)荷載工況作用下，混凝土結(jié)構(gòu)、鋼箱以及螺栓各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值變化規(guī)律一致，其數(shù)值也比較相近。 B. 在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。 C. 通過比較混凝土與鋼箱的應(yīng)變值說明，鋼-混結(jié)合段模型試件應(yīng)力在由鋼箱高應(yīng)變值向混凝土塔座的低應(yīng)變值傳遞過程中變化平穩(wěn)，這與結(jié)構(gòu)承壓板的應(yīng)力擴(kuò)散作用是分不開的。4.5.2最大彎矩荷載組合作用最大彎矩荷載組合作用 下表分別為模型試件的混凝土、鋼箱、高強(qiáng)螺栓等材料的測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)值分析。其中加載

47、工況選擇的是最大彎矩荷載組合下的最高一級(jí)荷載值，對(duì)于已損壞的應(yīng)變片我們用空格代替，我們規(guī)定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。 混凝土塔座表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0175325475625775950計(jì)算值（MPa）1.530.470.24-0.48-0.84-1.12-3.11試驗(yàn)值（MPa）0.65-0.190.08-0.72-1.3-1.15-2.02 鋼箱表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)算值（MPa）8.317.85-6.73-12.66-18.86-27.10-25.66試驗(yàn)值（MPa）1.541.85-7.11-20.1

48、9-14.63-73.85-4.64測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)算值（MPa）0.95-3.73-7.62-11.07-12.44-13.17-12.83試驗(yàn)值（MPa）3.71-0.52-5.97-7.73-6.59-18.54-0.62 高強(qiáng)螺栓表面應(yīng)力X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）268.98267.34263.03251.15216.73試驗(yàn)值（MPa）/341.55325.27305.29302.61X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）2

49、64.22262.35257.83245.96212.13試驗(yàn)值（MPa）338.05/319.3318.68290.66X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）255.45253.03247.99235.98203.19試驗(yàn)值（MPa）/319.92/295.20288.61X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）251.26248.39242.91230.74198.44試驗(yàn)值（MPa）322.39306.73279.34269.24288.19 由上面各表所列各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)可見： 1、從表可以看出，在

50、最大彎矩荷載組合的最大一級(jí)荷載工況作用下，混凝土結(jié)構(gòu)、鋼箱以各個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值大小相比規(guī)律比較接近。 2、在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。 3、通過比較混凝土與鋼箱的應(yīng)變值說明，鋼-混結(jié)合段模型試件應(yīng)力在由鋼箱高應(yīng)變值向混凝土塔座的低應(yīng)變值傳遞過程中變化平穩(wěn)，這與結(jié)構(gòu)承壓板的應(yīng)力擴(kuò)散作用是分不開的。4.6破壞加載研究破壞加載研究 本加載過程是按破壞加載工況分級(jí)加載。當(dāng)加載進(jìn)行到（200,330）級(jí)后一級(jí)段時(shí)，聽到響聲，靠近加載面一側(cè)高強(qiáng)螺栓失效，鋼箱傾斜，千斤頂傳感器滑出，兩層鋼板間產(chǎn)生大約10mm的裂縫如圖：4.6.

51、1高強(qiáng)螺栓握裹力估算高強(qiáng)螺栓握裹力估算 混凝土與鋼筋之間的握裹力跟混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋表面形狀、錨固長(zhǎng)度及鋼筋直徑有關(guān)： Ndl =ft/4a l=鋼筋錨固長(zhǎng)度； d=鋼筋直徑； ft=混凝土抗拉長(zhǎng)度； a=鋼筋外形系數(shù)；光面鋼筋a=0.16； 計(jì)算得： N33.6KN 通過（200,330）級(jí)加載螺栓受力測(cè)定得，螺栓所受拉力大約為68.4KN,而此時(shí)應(yīng)變遠(yuǎn)小于高強(qiáng)螺栓的屈服應(yīng)變，因此我們斷定高強(qiáng)螺栓是從混凝土塔座中“拔出”破壞。4.6.2破壞階段受力分析破壞階段受力分析 本階段試驗(yàn)進(jìn)行了破壞荷載組合的加載過程。實(shí)驗(yàn)過程中，在螺栓脫落之前鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載的作用下表現(xiàn)平穩(wěn)，無任

52、何異?，F(xiàn)象產(chǎn)生。通過對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較分析，模型試件的高強(qiáng)螺栓、鋼箱、混凝土等材料的應(yīng)變值都隨著荷載等級(jí)的增加大致呈線性增加，變化協(xié)調(diào)平穩(wěn)。通過肉眼觀察，試件各種材料的無裂縫產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋼-混凝土結(jié)合段模型試件始終處于彈性工作階段，儲(chǔ)備安全，工作性能良好。 鋼混凝土結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下圖為破壞組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件混凝土應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為混凝土上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，混凝土各測(cè)點(diǎn)除結(jié)構(gòu)上緣明顯處于受拉狀態(tài)，其他部位都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化。在各級(jí)荷

53、載的作用下，混凝土下緣最大壓應(yīng)變?yōu)?510-6左右，上緣最大拉應(yīng)變?yōu)?010-6左右，其值遠(yuǎn)小于混凝土的極限應(yīng)變值，說明模型試件混凝土塔座工作狀態(tài)始終處于彈性階段。 鋼混凝土結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析 下圖分別為破壞荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件鋼箱應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中點(diǎn)號(hào)為鋼箱上不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，鋼箱上各測(cè)點(diǎn)基本上都處于受壓的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。在各級(jí)荷載的作用下，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?631

54、0-6左右，其值遠(yuǎn)小于鋼箱的極限抗壓應(yīng)變值，說明模型試件鋼箱工作狀態(tài)始終處于彈性階段，儲(chǔ)備安全。 鋼混凝土結(jié)合段高強(qiáng)螺栓應(yīng)變分析 下圖分別為破壞荷載組合下鋼-混凝土結(jié)合段模型試件高強(qiáng)螺栓應(yīng)變變化趨勢(shì)圖。其中測(cè)點(diǎn)的具體位置參照前面的坐標(biāo)設(shè)計(jì)圖示；分級(jí)數(shù)參照前面的加載噸位表。從圖中可以看出，高強(qiáng)螺栓上各測(cè)點(diǎn)都處于受拉的狀態(tài)，應(yīng)變值都隨著加載等級(jí)的增加而增加，并大致呈線性變化，螺栓的最大應(yīng)力位于鋼-混結(jié)合面處。 由模型試件各種材料試驗(yàn)結(jié)果可知，在高強(qiáng)螺栓脫落之前，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在破壞荷載組合的各級(jí)加載荷載作用下，變化趨勢(shì)一致，無裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)合面處無滑移、開裂及剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)整體處于

55、彈性工作階段，受力平穩(wěn)，儲(chǔ)備安全，滿足設(shè)計(jì)要求。 下表分別為模型試件的混凝土、鋼箱、高強(qiáng)螺栓等材料的測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)值分析。其中加載工況選擇的是破壞荷載組合下螺栓脫落前一級(jí)荷載值，對(duì)于已損壞的應(yīng)變片我們用空格代替，我們規(guī)定拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。 混凝土塔座表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0175325475625775950計(jì)算值（MPa）2.470.830.52-0.34-0.70-1.05-3.11試驗(yàn)值（MPa）1.330.36-0.29-1.66-2.05-2.41-2.99 鋼箱表面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)

56、算值（MPa）168516.798.66-9.82-15.94-24.78-23.91試驗(yàn)值（MPa）7.628.65-1.03-10.92-11.74-84.67-15.66測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）063275425575787850計(jì)算值（MPa）7.915.48-5-8.39-9.34-9.56-8.89試驗(yàn)值（MPa）6.183.09-6.18-8.03-7.62-21.01-9.27 高強(qiáng)螺栓表面應(yīng)力X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）276.19274.77270.65258.68223.35試驗(yàn)值（MPa）/342.37

57、331.87309.82304.67X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）270.53268.79264.38252.39217.76試驗(yàn)值（MPa）343.61/329.81320.95296.43X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）260257.60252.57240.42207.05試驗(yàn)值（MPa）/321.57/296.85292.31X=處測(cè)點(diǎn)位置（沿Y方向離頂板的距離mm）0100200300400計(jì)算值（MPa）254.94252.02246.5234.18201.41試驗(yàn)值（MPa）3

58、25.27311.68283.46272.13292.11 由上面各表所列各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)可見： 1、從表可以看出，在最大彎矩荷載組合的最大一級(jí)荷載工況作用下，混凝土結(jié)構(gòu)、鋼箱以及高強(qiáng)螺栓各個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值大小相比規(guī)律比較相近。 2、在距結(jié)合面100mm和600mm段的鋼箱表面測(cè)點(diǎn)6的變化趨勢(shì)最明顯，應(yīng)視為鋼箱受力的最不利位置。 3、試件因螺栓從混凝中脫落而破壞，而非材料屈服而破壞。 4、通過比較混凝土與鋼箱的應(yīng)變值說明，鋼-混結(jié)合段模型試件應(yīng)力在由鋼箱高應(yīng)變值向混凝土塔座的低應(yīng)變值傳遞過程中變化平穩(wěn)，這與結(jié)構(gòu)承壓板的應(yīng)力擴(kuò)散作用是分不開的。4.7本章小結(jié)本章小結(jié) 本章以房山五渡橋?yàn)?/p>

59、工程背景，通過模型試驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論數(shù)值相比本章以房山五渡橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^模型試驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論數(shù)值相比較，分析了鋼較，分析了鋼-混凝土結(jié)合段模型在最大軸力荷載組合、最大彎矩荷載組合、混凝土結(jié)合段模型在最大軸力荷載組合、最大彎矩荷載組合、1.2倍最大倍最大軸力荷載組合、軸力荷載組合、1.2倍最大彎矩荷載組合以及破壞組合作用下各種材料的受力變化趨勢(shì)倍最大彎矩荷載組合以及破壞組合作用下各種材料的受力變化趨勢(shì)以及傳導(dǎo)機(jī)理，得出結(jié)論如下：以及傳導(dǎo)機(jī)理，得出結(jié)論如下： 1、在彈性工作階段，鋼、在彈性工作階段，鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載作用下的受力性能接混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)

60、荷載作用下的受力性能接近于普通鋼筋混凝土模型試件受力性能。近于普通鋼筋混凝土模型試件受力性能。 2、實(shí)驗(yàn)過程中（螺栓脫落之前），鋼、實(shí)驗(yàn)過程中（螺栓脫落之前），鋼-混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載的作用混凝土結(jié)合段模型試件在各級(jí)荷載的作用下表現(xiàn)平穩(wěn)，無任何異?，F(xiàn)象產(chǎn)生。通過對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較分析，模型試件的下表現(xiàn)平穩(wěn)，無任何異?，F(xiàn)象產(chǎn)生。通過對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)比較分析，模型試件的高強(qiáng)螺栓、鋼箱、混凝土等材料的應(yīng)變值都隨著荷載等級(jí)的增加大致呈線性增加，變高強(qiáng)螺栓、鋼箱、混凝土等材料的應(yīng)變值都隨著荷載等級(jí)的增加大致呈線性增加，變化協(xié)調(diào)平穩(wěn)。通過肉眼觀察，試件各種材料的無裂縫產(chǎn)生，并且在卸載后基本