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钢-混凝土组合连续梁桥长期荷载效应的理论研究
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内容简介 基于三维粘弹性理论,构造了考虑混凝土徐变的三维有限元分析模型,在实验研究的基础上,拟合了模型中的三个参数,以某对两跨钢混凝土组合连续梁桥为例,研究了长期载荷作用下的混凝土的徐变的发展情况,并给出了徐变对结构变形,如跨中挠度和轴向应变等的影响规律曲线,研究成果可供有关工程设计和实践参考。
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:&400-900-8066导读：钢-混凝土组合梁在桥梁工程中的应用研究，本文介绍了钢-混凝土组合梁的概念、构造特点，重点探讨钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁在变形特点、受弯承载力上的区别，从而得出在钢-混凝土组合梁桥在未来桥梁工程中的应用与优点，关键词：钢-混凝土组合梁，前言：钢-混凝土组合梁是由钢梁、连接件和钢筋混凝土板组成，钢-混凝土组合梁的上翼缘有截面面积较大的钢筋混凝土板承受压力，这是组合梁的受力特点工程界有识之士正在钢-混凝土组合梁在桥梁工程中的应用研究
土木工程 100824 陆楠
摘要：钢筋混凝土梁形式多种多样，是房屋建筑、桥梁建筑等工程结构中最基本的承重构件，应用范围极广。本文介绍了钢-混凝土组合梁的概念、构造特点，重点探讨钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁在变形特点、受弯承载力上的区别，在分析的基础上，加深对其的了解，从而得出在钢-混凝土组合梁桥在未来桥梁工程中的应用与优点，提出了需要解决的问题。
关键词：钢-混凝土组合梁，研究现状，优点，桥梁工程 前言：钢-混凝土组合梁是由钢梁、连接件和钢筋混凝土板组成，而钢筋混凝土梁是用钢筋混凝土材料制成的梁。钢-混凝土组合梁的上翼缘有截面面积较大的钢筋混凝土板承受压力，致使钢梁上翼缘截面减小，从而节约钢材，钢梁下翼缘则承受拉力，这是组合梁的受力特点工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能、高强混凝土、采用钢-混组合结构，推广钢结构以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状，与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。 1.钢-混凝土组合梁简介 1.1概念 钢和混凝土是建造桥梁的主要结构材料,这两种材料在物理和力学性能上具有不同的优势和劣势,如果只采用其中一类材料建造桥梁,其结构性能往往受到材料性能的制约而有所不足。通过某种方式将钢材与混凝土组合在一起共同工作,可以充分发挥不同材料的优势,扬长避短,从而为桥梁工程师提供了更广阔的创作空间。钢-混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它主要通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（栓钉、槽钢、弯筋等），抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移，使之成为一个整体而共同工作。钢-混凝土组合梁桥在很多情况下具有良好的综合技术经济效益和社会效益。例如,组合梁桥相对于混凝土桥上部结构高度较低、自重轻、地震作用小,相应使得结构的延性提高、基础造价降低。同时,组合梁桥便于工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快,并可以适用于传统砖石及混凝土结构难以应用的情况。相对于钢桥,钢-混凝土组合桥将钢梁与混凝土桥面板组合后,截面惯性矩和抗弯承载力均显著提高,混凝土桥面板对钢梁稳定性的增强使得钢材强度可以充分发挥。由焊接抗剪栓钉所增加的费用要明显低于减少用钢量所节省的费用,从而可以降低造价。 1.2构造特点 钢一混凝土组合梁由钢梁、钢筋混凝土板和抗剪连接件三个主要部分构成， 以下分述其各组成部分的构造特点。
1 ) 钢梁。其在组合梁中主要承受拉力，为了充分发挥钢梁的效能，常用的截面形式为工字型和箱型。桥梁工程中的组合梁由于钢梁的上翼缘往往接近中和轴，受力中不能充分发挥其作用，所以经常采用焊接的不对称的工字钢梁，即上翼缘的宽度较小(但应满足布置连接件的构造要求)。大跨径的组合梁桥，多采用钢箱梁的截面形式，称为箱型组合梁桥。箱型组合梁的抗扭刚度比较大，特别适合建造曲线梁桥，且在顺桥向大多做成连续结构。
2 ) 钢筋混凝土板。对于桥梁结构的组合梁，支承在钢梁顶面的钢筋混凝土板除了作为组合梁的上翼缘与钢筋共同承担弯矩之外，同时作为桥面板还要承担由局部荷载引起的横桥方向的内力。组合梁桥的翼板通常采用现浇混凝土板、装配式预制混凝土板和装配整体式组合板三种形式。
3 ) 抗剪连接件。设在钢梁上翼缘顶面的抗剪连接件是钢梁和混凝土翼板共同工作的基础。抗剪连接件的作用主要是承受钢梁和混凝土翼缘板之间界面上的纵向剪力，抵抗两者之间的滑移。组合梁中采用的抗剪连接件种类很多， 根据抗剪连接件的工作性质和破坏形态 ， 可将其分为柔性连接件和刚性连接件两大类。柔性连接件其本身的刚性较小，破坏时变形较大， 破坏形态较为协调，很少发生突然的脆性破坏，因而对桥梁结构等承受冲击荷载的情况一般均宜采用柔性连接件；刚性连接件，其本身的刚性较大，破坏时变形很小，容易引起周围混凝土的应力集中，造成混凝土局部压碎或剪切破坏。根据抗剪连接件所使用的材料可分为栓钉抗剪连接件、型钢抗剪连接件、钢筋抗剪连接件。 2.钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁的的比较 2.1变形 2.1.1钢-混凝土组合梁 在荷载保持不变的情况下，由于混凝梁发生收缩徐变，组合梁的变形将不断增加。 混凝土的收缩徐变受到钢梁的约束，组合梁截面中将产生内力重分布，这种内力重分布也会对组合梁的长期变形产生影响[1]。 中国现行《钢结构设计规范))(G B50017，送审稿) [2]和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)[3]中均采用降低棍凝土弹性模量的方法来考虑混凝土收缩徐变对组合梁长期变形的影响，混凝土长期荷载作用下的有效弹性模量E为 E =E/k 式中：E为混凝土初始弹性模量;k为混凝土弹性模量折减系数。 文献[2]提出考虑混凝土徐变影响时k取2.0；文献[3」认为只计混凝土徐变时k取2. 5，同时考虑混凝土收缩徐变时k取2.0。应该指出，上述规范公式中采用的单一弹性模量折减系数法计算简单，便于广大工程设计人员应用。但在系统查阅了国内外有关组合梁时随性能的最新研究成果后，发现上述规范方法也存在着一定的局限性[4]；一方面不能反映混凝土徐变系数的时随变化，徐变系数与加载时棍凝土的龄期和加载持续时间等多种因素有关，随加载龄期的增长而减小，又随加载持续时间的增加而增大；另一方面，按式(1)计算的最终变形值偏小。在国内外已有的相关科技文献中，文献[4]对钢一混凝土组合梁的长期变形进行了讨论，建立了钢一混凝土组合梁的长期刚度计算公式。但该公式只适用于普通组合梁，不能用来计算预应力组合梁，且公式形式过于复杂。有的提出了“变刚度”的分析方法，来分析预应力组合梁的时随性能，也有的提出了一步迭代法、无迭代渐进法、迭代渐进法和基于无迭代渐进法的改进方法，来计算因混凝土收缩、徐变和预应力筋松弛引起的预应力损失。 2.1.2钢筋混凝土梁 钢筋混凝土梁在外荷载的直接应力和次应力的作用下，引起结构变形而裂缝。构件在使用过程中受年温差的长期作用，当温差的胀缩应力大于构件极限抗拉强度时就会裂缝。构件裂缝的因素是多方面的，包括结构设计、地基沉降差异、施工质量、材料质量、环境影响等，无论何种原因产生的裂缝，都会给建筑物肢体结构带来影响。在低速冲击荷载作用下梁的变形与其动力特性、冲击体与梁的质量比Ms/Mb，冲击速度V0、冲击时间和冲击体形状密切相关。在足够宽的Ms/Mb、V0的变化范围内，钢筋混凝土梁呈现出一致的状态特性[5] 2.2受弯承载力 2.2.1钢-混凝土组合梁 组合梁的作用效应按弹性理论进行计算，截面抗力计算除有更为精确的非线性分析方法外应采用弹性分析方法。按弹性理论计算钢一 混凝土组合梁：①将钢材和混凝土均视为理想的弹性体， 其应力应变关系成正比；②钢梁与混凝土板之间具有可靠的连接，相对滑移很小，可忽略不计；③组合梁的截面变形符合平截面假设；④不考虑受拉区混凝土参与工作。
组合梁截面应力的计算上有截面合力法与截面分力法两种方法。钢-混凝土组合梁中，把混凝土截面用等效的钢截面代替，并将这种换算后的截面称为换算截面。这样，按换算截面的几何特征值，直接利用材料力学公式即可计算组合梁的截面应力和变形，是为截面合力法。将截面上作用的弯矩M分解成分别作用在钢梁与桥面板截面上的弯矩Ms、Mc及其轴力 Ns 、
Nc ， 即采用截面分力法。 组合梁截面应力计算一截面分力法： ????+????+??????=M ????=???? 其截面转角与轴向变形的条件为； ????????= ????????????????????????????+=?? ????????????????????????由上述组合截面的作用力平衡与位移条件式，可以推导出Ms、Mc、Ns、Nc的计算式： ????????=?? ????????????=?? ??????????????????????????=????=M=M ??????????组合结构桥梁的整体受力性能与负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服、稳定、混凝土收缩徐变影响与构造要求等诸多因素有关。 2.2.2钢筋混凝土梁 2.2.2.1现有承载力计算方法 钢筋锈蚀对构件抗弯承载力的影响主要表现在4个方面:钢筋截面面积减小、构件截面尺寸相应变小、钢筋强度降低，以及钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。对于锈蚀引起的前3个因素，在承载力计算中相对容易考虑，且概念上也较明确;对于粘结退化的影响，目前则主要是通过钢筋与混凝土的协同工作系数来考虑，并且在试验基础上给出了该系数的计算公式。现有锈蚀钢筋混凝土梁的承载力计算方法是，先根据锈蚀程度确定钢筋与混凝土的协同工作系数，再考虑钢筋锈蚀损伤后的实际截面面积和屈服强度，最后按混凝土规范中完好构件承载力公式计算锈蚀梁的抗弯承载力。从现有的计算方法来看，计算锈蚀钢筋混凝土梁承载力的关键是确定钢筋与混凝土的协同工作系数。本文中选择了不同的损伤指标，如裂缝宽度、钢筋截面损失率、锈蚀损伤范围[5]等，建议了协同工作系数的取值方法。 2.2.2.2抗弯承载力计算 根据构件锈蚀后的截面配筋指标和钢筋锈蚀程度计算极限状态下受拉钢筋的强度利用系数，即可确定锈蚀钢筋的极限应力，再按规范中计算完好混凝土梁的方法计算锈蚀构件的承载力[6]在极限状态下，根据截面平衡条件可得 ?1fcbx??scfscAsc 式中:a，为等效矩形的应力值与轴心抗压强度设计值的比值，当混凝土强度等级不超过C50时，取al= 1.0；x为等效矩形应力的混凝土受压区高度。由于现行规范GB 中提高了安全度水平，承载力计算中采用的是轴心抗压强度，为了尽量反映试验构件的实际承载力，在验证计算时，混凝土强度仍采用规范GBJ10-89中的弯曲抗压强度。 3.钢-混凝土组合梁在桥梁工程中的应用及优点 3.1钢-混凝土组合梁的优点 钢-混凝土组合梁，通过较为简单的处理方式综合了混凝土梁和钢梁的优势。组合梁保留受压区的混凝土翼板， 受拉区则只配置钢梁，二者之间通过抗剪连接件组合成整体。这样，既不会产生混凝土受拉开裂的问题，也不会因钢梁受压侧刚度较弱而发生失稳，同时还具备较高的刚度和较轻的自重。钢-混凝土结合梁桥在中等跨度(20～90m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是：组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，场地清洁较有保证，钢材部分可回收利用，有利于环保、节能，且具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。 3.2钢-混凝土组合梁的应用 近年来组合梁在我国公路与城市桥梁建设中取得了举世公认的进步。上海南浦大桥和杨浦大桥的桥面结构也采用了钢-混凝土叠合梁结构，纵梁和钢横梁形成施工拼装单元，预制钢筋混凝土桥面板铺装就位之后，通过钢梁上翼缘预制板结间的接缝、混凝土和栓钉剪力连接件的作用使钢梁和混凝土桥面板连成整体形成组合梁。 4.结语 对钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土梁进行上述对比和研究，钢-混凝土组合梁是利用钢材宜于受拉,混凝土宜于受压的特点,通过剪切连接件将钢梁与混凝土板连接成为整体而共同工作的一种新型承重构件。它兼有钢梁和钢筋混凝土梁的优点,具有良好的经济效益和社会。工程实践表明，在桥梁工程中推广应用钢-混凝土组合梁符合我国进行基础建设的国情，有利于促进国民经济建设的发展。但是组合梁桥的一些问题还待深入研究，予以完善，如钢材的防腐、混凝土桥面板的模板、焊缝的疲劳开裂问题、新型钢-混凝土组合梁的研究等等。同时我国在这方面的规范亟待修订补充，只有将这些问题逐步解决，钢-混凝土组合梁才能在未来的桥梁工程中得到更加宽广的应用。
参考文献： [1]薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京中国建筑工业出版社，2003. [2]GB50017.钢结构设计规范(送审稿)[S].2002. [3]JTJ 025-86.公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].1988. [4]聂建国.钢混凝土组合梁长期变形的计算与分析[J]建筑结构,):42-45. [5]任宝双，钱稼茹，聂建国.在用钢筋棍凝土简支桥面梁受弯承载力估算[J].工业建筑，33 . RE N B a-o shuang ,QIAN Jia-ru,NIEJian-guo.Evaluati on o f B earin g Capacity in Bending forExistingSimpl y S u pportedR C BridgeBeams[ J ]. I ndustrial Co nstruction ,20 00,30(11):29-33. [6]金伟良，赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究 [J] .工业建筑，):9-11. JIN W ei-l ian g ,Z HAO Yu-xi.TestStudyonB ending Str en gt h of C or roded Reinforced Concrete Beams [J] .I n d us tri al C o nstruction,20 01,31(5):9-11. 包含总结汇报、IT计算机、党团工作、资格考试、计划方案、办公文档、文档下载、考试资料以及组合梁桥等内容。
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本帖最后由 junheng84 于
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截面DXF文件,哪位兄弟有空帮忙算一下？我这电脑实在是不行啊，算不出来~~~~~~
MIDAS截面特性计算器使用问题-组合梁，但是算不出结果来。以下为过程截图，请大家帮忙看看是什么原因。（盗版狗2010）
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附截面DXF文件。
今天得到MIDAS技术客服的回复，但还没试，他们这样回答的：
您好，这个截面你在画CAD时钢材部分是以面的形式画的，所以应该用plan，用line是无法计算的；用plan的话必须将网格划分的尽量小，结果才准确，因为钢材的厚度很小，不过这样计算时间会比较长；
或者您可以将钢材部分以线代替，用line格式生成，定义line的厚度，其实更方便，计算也快；您可以再试一下。
请求别人帮助还要求人家付费，我认为不应该，兄弟！
这兄弟有意思 找人帮忙 还要向别人收钱&&
{:4_104:}啥事都有，不敢讨论
ywg2000000 发表于
这兄弟有意思 找人帮忙 还要向别人收钱
不好意思，点错了，想悬赏的，马上修改
jimosea 发表于
请求别人帮助还要求人家付费，我认为不应该，兄弟！
不好意思，点错了，想悬赏的，马上修改
xiaoniua33 发表于
啥事都有，不敢讨论
不好意思，点错了，想悬赏的，马上修改
下面用line，上面用面，然后主要是计算的时候mesh那个数字不能太小，太小算了出错
tumuxm 发表于
下面用line，上面用面，然后主要是计算的时候mesh那个数字不能太小，太小算了出错
用LINE的话，钢板是画成一条线呢还是闭合的线呢？
楼主可以把你的截面贴出来让大家看看
按补充说明也没算出来，郁闷，卡壳了
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witty 发表于
楼主可以把你的截面贴出来让大家看看
OK，明天再贴~~~谢谢
钢板必须是闭合的线段，就是钢板的厚度在cad中要绘制出来，然后再剪切，全部的钢板的截面最好使用面域来看看钢板截面是否闭合。
FWWHN 发表于
钢板必须是闭合的线段，就是钢板的厚度在cad中要绘制出来，然后再剪切，全部的钢板的截面最好使用面域来看看 ...
谢了，哥们，但最后计算的时候，有涉及一个网格尺寸的问题，另外就是计算的时候，是点组合的一部分就可以了，还是混凝土板和钢箱部分是要分开计算？我试了几次，都是计算的时候就是没响应，得不到结果。
下载学习了！谢谢楼主的共享！
angeladavid 发表于
下载学习了！谢谢楼主的共享！
学明白了告我怎么弄，我已经整晕了
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