考虑多种力学行为和时变效应的钢-混凝土组合箱梁桥有限梁单元模型

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钢-混凝土组合梁由于其优异的受力性能、施工性能和良好的经济性,在我国桥梁工程领域的发展方兴未艾。诸多学者对其受力性能进行了研究,但目前对其多种力学行为、时变效应及通用计算模型的研究尚不全面。因而本文采用理论分析、数值开发、统计拟合等方法对组合梁的多种力学行为和时变效应进行研究,开发了计算混凝土收缩徐变的子程序和考虑剪力滞、界面滑移以及收缩徐变的组合梁有限梁单元模型,并基于该梁单元模型分析了箱型组合梁桥的受力性能。考虑到传统混凝土收缩徐变简化计算方法难以满足复杂桥梁结构计算的精度要求,本文对混凝土收缩徐变效应的产生机理、影响因素、计算理论以及预测模型做了分析与探讨,并基于徐变的逐步递推计算法推导出了一维应力状态与三维应力状态下徐变应变的计算公式,结合Abaqus内置的子程序接口开发了计算混凝土收缩徐变的子程序,最后通过国内外报道的诸多试验研究,验证了子程序的精度与适用性。该子程序既可用于Abaqus建立的桥梁结构的收缩徐变计算,也为后续梁单元模型中收缩徐变功能模块的开发奠定了基础。为充分考虑组合梁剪力滞、界面滑移的受力特性及其收缩徐变效应,简化组合梁的建模计算流程,本文基于Euler Bernoulli梁理论,结合虚功原理,引入翘曲位移函数以考虑剪力滞,根据截面转角计算界面滑移,推导了组合梁的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载矩阵以及坐标转化矩阵,并采用第2章推导的徐变逐步递推法计算混凝土的收缩徐变,构建了直腹板箱型组合梁的18自由度分析模型。采用Python语言开发了可考虑剪力滞、界面滑移和收缩徐变的组合梁有限梁单元模型,并通过Abaqus有限元模型验证了该梁单元模型的正确性与有效性。该梁单元模型可简化组合梁的分析计算,也是后续参数分析的基石。最后本文基于已开发的组合梁有限梁单元模型,对箱型简支组合梁开展参数分析,得到了组合梁剪力滞、界面滑移及收缩徐变效应受截面位置、滑移刚度、宽跨比、高跨比、混凝土等级以及加载龄期等因素影响的一般规律。
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