考虑界面非连续变形的钢—混凝土组合梁桥数值模拟研究

发布时间：2018-03-06 22:25

本文选题：钢-混凝土组合结构　切入点：界面　出处：《浙江大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：钢-混凝土组合结构是由剪力钉等剪力连接件将钢和混凝土两种材料部件连接,通过粘着、摩擦以及机械作用结合成一体后共同工作的结构体系。钢与混凝土之间界面的力学行为极为复杂,且对组合结构桥梁的准确分析评估具有重要影响。本文依托浙江省自然科学基金“组合结构桥梁界面行为多尺度分析方法研究”,围绕钢-混组合梁桥界面非连续变形的关键问题,对考虑非连续变形的钢-混凝土组合结构数值模拟进行了深入研究。主要成果如下： (1)采用多折线模型来描述界面正应力-张开位移关系和界面剪切应力-滑移关系,基于通用有限元软件ABAQUS的UEL接口编译了多折线模式无厚度粘聚力界面单元,用一数值算例验证其对结构连接缝起裂扩展该非线性、非连续变形的过程模拟分析的可行性,从解决了钢混组合组合结构结合界面非连续变形模拟的问题。 (2)采用多折线粘聚区域模型模拟钢与混凝土之间界面的滑移与张开脱离,建立了组合结构的推出试验三维数值分析模型,对界面间剪切滑移及沿界面法向张开位移分布进行分析,讨论了底部边界对计算结果的影响,得到了剪力连接件的抗剪承载力和抗剪刚度；采用能量原理推导了抗剪连接件的理论刚度并与数值模拟结果和文献中的试验结果进行了对比验证。由此得到了钢混组合结构剪力连接件抗剪刚度的确定方法。 (3)针对组合结构使用过程中剪切连接件存在的拉拔状态及剪力连接件的拔出过程混凝土的拉裂与扩展的数值模拟难点,提出了采用基于强化有限元的无厚度CZM单元,以粘聚区域模型描述剪力连接件拔出过程裂纹的开裂与扩展,并建立了钢-混凝土剪力连接件拔出有限元分析模型,分析了拔出过程荷载-位移曲线,并得到了剪力连接件的抗拔承载力和拔出过程的破坏形态。从而实现了对剪力连接键拔出过程中混凝土的拉裂与裂缝扩展等非连续变形的分析模拟。 (4)考虑到实际桥梁所受车辆荷载作用一般垂直于混凝土板与钢梁连接界面,为准确分析组合结构桥梁受力性能,特别是弹性工作阶段剪力钉的受力状态,建立了考虑界面间粘聚力和摩擦力的影响组合结构桥梁受力性能分析模型。构建了连续组合箱梁数值分析模型,并分析了剪力钉的受力状态、钢与混凝土界面间滑移量及界面间应力分布。从而提出了考虑材料界面粘结特性对组合梁受力性能影响的分析方法。 (5)采用物理区域与单元网格相独立的策略,并引入无厚度界面单元模拟钢与混凝土之间界面的非连续变形,提出了考虑界面滑移的三维强化有限元分析方法。采用该方法对考虑界面非连续变形的组合梁的挠度、界面滑移和截面上下缘纵向应力等进行了分析。算例结果表明本文数值解可以与解析解吻合,从而验证了所编译有限元程序的准确性。所采用的物理区域与单元网格相独立的强化有限元,可以根据物理单元力学描述的需要选择数学单元的大小和形状,一个单元内可以分成多个具有不同材料及不同受力特点的区域,可以大大减少复杂结构的网格数量,提高计算效率。由此建立了适用于考虑界面滑移的组合梁分析的高效计算方法。 (6)以港珠澳大桥实际工程为背景,建立有限元分析模型,对大跨度复杂变截面的组合梁桥结构进行分析,实现了考虑界面滑移的三维强化有限元在规模庞大、受力分析繁琐的实际桥梁工程结构中的应用,从而验证了该方法的有效性。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U441;U448.216

【参考文献】