考慮界面非連續(xù)變形的鋼—混凝土組合梁橋數(shù)值模擬研究.pdf

1、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由剪力釘?shù)燃袅B接件將鋼和混凝土兩種材料部件連接，通過粘著、摩擦以及機(jī)械作用結(jié)合成一體后共同工作的結(jié)構(gòu)體系。鋼與混凝土之間界面的力學(xué)行為極為復(fù)雜，且對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁的準(zhǔn)確分析評(píng)估具有重要影響。本文依托浙江省自然科學(xué)基金“組合結(jié)構(gòu)橋梁界面行為多尺度分析方法研究”，圍繞鋼-混組合梁橋界面非連續(xù)變形的關(guān)鍵問題，對(duì)考慮非連續(xù)變形的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究。主要成果如下：
　?、挪捎枚嗾劬€模型來描述界面正應(yīng)

2、力-張開位移關(guān)系和界面剪切應(yīng)力-滑移關(guān)系，基于通用有限元軟件ABAQUS的UEL接口編譯了多折線模式無厚度粘聚力界面單元，用一數(shù)值算例驗(yàn)證其對(duì)結(jié)構(gòu)連接縫起裂擴(kuò)展該非線性、非連續(xù)變形的過程模擬分析的可行性，從解決了鋼混組合組合結(jié)構(gòu)結(jié)合界面非連續(xù)變形模擬的問題。
　　⑵采用多折線粘聚區(qū)域模型模擬鋼與混凝土之間界面的滑移與張開脫離，建立了組合結(jié)構(gòu)的推出試驗(yàn)三維數(shù)值分析模型，對(duì)界面間剪切滑移及沿界面法向張開位移分布進(jìn)行分析，討論了底部邊界

3、對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，得到了剪力連接件的抗剪承載力和抗剪剛度;采用能量原理推導(dǎo)了抗剪連接件的理論剛度并與數(shù)值模擬結(jié)果和文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。由此得到了鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力連接件抗剪剛度的確定方法。
　?、轻槍?duì)組合結(jié)構(gòu)使用過程中剪切連接件存在的拉拔狀態(tài)及剪力連接件的拔出過程混凝土的拉裂與擴(kuò)展的數(shù)值模擬難點(diǎn)，提出了采用基于強(qiáng)化有限元的無厚度CZM單元，以粘聚區(qū)域模型描述剪力連接件拔出過程裂紋的開裂與擴(kuò)展，并建立了鋼-混凝土剪力連接件

4、拔出有限元分析模型，分析了拔出過程荷載-位移曲線，并得到了剪力連接件的抗拔承載力和拔出過程的破壞形態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)剪力連接鍵拔出過程中混凝土的拉裂與裂縫擴(kuò)展等非連續(xù)變形的分析模擬。
　?、瓤紤]到實(shí)際橋梁所受車輛荷載作用一般垂直于混凝土板與鋼梁連接界面，為準(zhǔn)確分析組合結(jié)構(gòu)橋梁受力性能，特別是彈性工作階段剪力釘?shù)氖芰顟B(tài)，建立了考慮界面間粘聚力和摩擦力的影響組合結(jié)構(gòu)橋梁受力性能分析模型。構(gòu)建了連續(xù)組合箱梁數(shù)值分析模型，并分析了剪力釘?shù)?/p>

5、受力狀態(tài)、鋼與混凝土界面間滑移量及界面間應(yīng)力分布。從而提出了考慮材料界面粘結(jié)特性對(duì)組合梁受力性能影響的分析方法.
　?、刹捎梦锢韰^(qū)域與單元網(wǎng)格相獨(dú)立的策略，并引入無厚度界面單元模擬鋼與混凝土之間界面的非連續(xù)變形，提出了考慮界面滑移的三維強(qiáng)化有限元分析方法。采用該方法對(duì)考慮界面非連續(xù)變形的組合梁的撓度、界面滑移和截面上下緣縱向應(yīng)力等進(jìn)行了分析。算例結(jié)果表明本文數(shù)值解可以與解析解吻合，從而驗(yàn)證了所編譯有限元程序的準(zhǔn)確性。所采用的物理區(qū)

6、域與單元網(wǎng)格相獨(dú)立的強(qiáng)化有限元，可以根據(jù)物理單元力學(xué)描述的需要選擇數(shù)學(xué)單元的大小和形狀，一個(gè)單元內(nèi)可以分成多個(gè)具有不同材料及不同受力特點(diǎn)的區(qū)域，可以大大減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。由此建立了適用于考慮界面滑移的組合梁分析的高效計(jì)算方法。
　?、室愿壑榘拇髽?qū)嶋H工程為背景，建立有限元分析模型，對(duì)大跨度復(fù)雜變截面的組合梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了考慮界面滑移的三維強(qiáng)化有限元在規(guī)模龐大、受力分析繁瑣的實(shí)際橋梁工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，從而