钢-混凝土组合梁静动力响应

引用本文

张云龙, 刘占莹, 吴春利, 王静. 钢-混凝土组合梁静动力响应. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 789-795
ZHANG Yun-long, LIU Zhan-ying, WU Chun-li, WANG Jing. Static and dynamic responses of steel-concrete composite beams. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017, 47(3): 789-795 复制到剪切板

Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb201703014
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钢-混凝土组合梁静动力响应

张云龙¹, 刘占莹², 吴春利³, 王静¹

1.吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春130118

2.长春建筑学院交通学院,长春 130607

3.吉林大学交通学院,长春 130022

吴春利(1978-),女,讲师,博士.研究方向:桥梁结构健康监测理论.E-mail:clwu@jlu.edu.cn

作者简介:张云龙(1975-),男,副教授,博士.研究方向:组合梁结构理论.E-mail:zyl_ql@163.com

基金项目:国家自然科学基金面上项目(51478203)

摘要

为了准确分析钢-混凝土组合梁的静力和动力响应,基于接触理论和有限单元法的基本思想,提出了组合梁单元的合理位移函数,推导了考虑剪切滑移效应的组合梁单元刚度方程,并结合动力学经典理论,给出了组合梁无阻尼状态下考虑交界面剪切滑移效应的各阶自振频率和振型计算方法。通过具体算例分析了钢-混凝土简支组合梁在竖向荷载作用下的挠度和交界面的剪切滑移应变差沿梁长的分布形态,并与试验结果进行了对比,结果表明:有限元解与试验结果基本一致,说明该有限元解是合理、可信的。利用上述刚度矩阵,基于经典动力学理论,计算了组合梁在考虑剪切滑移效应时的频率和振型,并与完全相互作用的结果进行了对比分析,说明在进行动力响应计算时应考虑剪切滑移的影响,为实际工程的设计提供了一种可靠的理论计算方法。

关键词: 桥梁工程; 组合梁; 接触理论; 有限单元法; 动力响应

中图分类号:TU311.1 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)03-0789-07

Static and dynamic responses of steel-concrete composite beams

ZHANG Yun-long¹, LIU Zhan-ying², WU Chun-li³, WANG Jing¹

1.School of Transportation Science & Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China

2.School of Transportation, Changchun Architecture and Civil Engineering College, Changchun 130607, China

3.College of Transportation,Jilin University, Changchun 130022, China

Abstract

In order to accurately analyze the static and dynamic responses of steel-concrete composite beams, the reasonable element displacement function of the composite beam is derived based on the contact theory and finite element method. The stiffness equation of the composite beam element considering shear slip effect is deduced. Combined with classical dynamics theory, a method of calculating the natural frequencies and vibration mode of the composite beams without damping is established with consideration of the shear slip effect at the interface. As a case study, the deflection of a simply supported steel-composite beam under vertical load and distributed shear slip strain difference along the beam is analyzed. Results show that the finite element solution is in good agreement with the experiment results. Using stiffness matrix the natural frequencies and vibration modes of the beam considering the shear slip effect are calculated and compared with complete interaction results, which suggest that the effect of shear slip effect should be considered in dynamic response calculation. This study provides a reliable calculation method for practical engineering design.

Key words: bridge engineering; composite beam; contact theory; finite element method; dynamic response

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0 引言

钢-混凝土组合梁桥是在钢结构的基础上发展而来的一种新型结构形式。将混凝土板设置在梁的受压部分, 将抗拉强度高的钢材设置在梁的受拉部分, 两种材料按这种方式结合在一起可以充分发挥各自的优势^[1], 中国许多桥梁结构都采用这种形式^[2]。近年来, 清华大学聂建国^{[3, 4, 5, 6]}对钢-混凝土组合梁进行了系列研究, 推动了组合梁在实际工程中的广泛应用, 取得了良好的经济效果。由于组合梁结构的广泛应用, 对其抗剪连接件受力性能进行研究显得尤为重要。连接件在钢梁与混凝土板交界面处传递剪力, 使其成为整体, 但连接件的刚度并非无限大, 在传递剪力的过程中会产生变形, 从而导致交界面处产生滑移^[7]。Ranzi等^[8]分析了刚度及变形等效应对组合梁的影响, 提出了考虑滑移和不考虑滑移时的有限元分析方法。试验及研究结果表明^{[9, 10, 11]}, 组合梁的滑移效应会对结构的内力和变形产生不可忽略的影响。

在组合梁的动力响应方面, 由经典动力学理论及已有公式可以对不考虑交界面剪切滑移效应的组合梁进行模态分析^[12]。目前, 我国对组合梁静力特性的研究已经较为深入, 但对其动力特性, 尤其是在考虑组合梁交界面处剪切滑移效应时的动力特性研究还处于起步阶段^{[13, 14, 15, 16]}。东南大学王景全等^{[17, 18]}通过室内试验分析了钢-混凝土交界面的滑移效应对组合梁动力性能的影响, 指出交界面滑移效应对组合梁自振频率的影响是不容忽视的。所以准确地对振型的形态和频率进行理论分析显得尤为重要。

综上可知, 目前钢-混凝土组合梁的设计计算方法仍停留在对经验公式的总结和特定条件下的解析解推导, 造成设计理论滞后于生产实际。由于设计方面常用的软件均采用有限元法作为计算的内核, 因此推导可靠的考虑剪切滑移效应的组合梁有限元解是在设计计算阶段亟待解决的问题。文献[7]中给出的有限元解会出现剪切锁死现象, 影响了计算公式的推广和使用。为了解决这一现象, 本文提出了组合梁有限元解合理的位移模式, 推导了一种新型有限元解, 并经过了试验验证, 为考虑剪切滑移效应的组合梁静力分析和动力响应研究奠定了理论基础。

1 试探函数的建立

1.1 基本假定

由于组合梁在受力过程中可以忽略竖向掀起效应产生的影响。二者在外力作用下能够保持共同的曲率, 由组合梁的基本性质可以做出如下基本假定:①钢梁和混凝土顶板在变形过程中能够保持平截面; ②在钢梁和混凝土顶板交界面处存在剪切滑移效应, 交界面处的剪力集度与相对水平位移差成正比; ③忽略钢梁与混凝土顶板之间的竖向掀起效应。

1.2 组合梁位移函数的建立

1.2.1 基本位移函数

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	图1 梁高方向的位移状态Fig.1 Displacement state of beam high direction

根据基本假定, 组合梁的基本位移函数有3个, 即混凝土顶板的轴向位移u_c; 钢梁的轴向位移u_s; 组合梁的竖向挠度v。如图1所示, 3个基本函数可表示为:

$\{\begin{array}{l} u_{c} (x, z_{c}) = u_{c 0} (x) + z_{c} φ (x) \\ v (x) = v (x) \\ u_{s} (x, z_{s}) = u_{s 0} (x) + z_{s} φ (x) \end{array}$ （1）

式中:u_c0(x)为混凝土顶板形心处的轴向位移; u_s0(x)为钢梁形心处的轴向位移; v(x)为组合梁竖向位移; φ (x)为组合梁的转角, 根据弹性力学的基本原理, φ (x)可表示为:

$φ (x) = d v (x) / d x$ （2）

由基本假定可知, 混凝土顶板底面与钢梁顶面之间的轴向位移差为:

$\begin{array}{l} Δ u (x) = u_{su} (x) - u_{cb} (x) = \\ u_{s 0} (x) - u_{c 0} (x) + φ (x) (z_{cb} + z_{su}) = u_{s 0} (x) - u_{c 0} (x) + v' (x) z_{d} \end{array}$ （3）

式中:z_d=z_cb+z_su, z_cb为混凝土顶板中性轴至组合梁交界面的距离, z_su为钢梁中性轴至组合梁交界面的距离; u_su(x)为钢梁顶面的轴向位移; u_cb(x)为混凝土顶板底面的轴向位移。Δ u(x)即为组合梁交界面处的剪切滑移应变差。

1.2.2 组合梁的物理方程

由基本假定可知, 混凝土顶板与钢梁交界面处的剪力集度为:

$q (x) = k Δ u (x) = k [u_{s 0} (x) - u_{c 0} (x) + v' (x) z_{d}]$ (4)

式中:k为剪力连接件的剪切刚度。

图2为微元体受力状态, 根据力的平衡关系可得:

$q (x) = - \frac{d N_{s}}{d x} = \frac{d N_{c}}{d x}$ (5)

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	图2 交界面微元体受力图Fig.2 Force diagram of interface volume element

根据材料力学的基本原理, 组合梁内力与位移之间的关系为:

$\{\begin{array}{l} N_{c} (x) = E_{c} A_{c} ε_{c 0} (x) = E_{c} A_{c} u'_{c 0} (x) \\ N_{s} (x) = E_{s} A_{s} ε_{s 0} (x) = E_{s} A_{s} u'_{s 0} (x) \\ M_{0} (x) = E_{s} I_{s} k (x) + E_{c} I_{c} k (x) = B_{0} v ″ (x) \end{array}$ (6)

式中:E_c、I_c、A_c分别为混凝土顶板的弹性模量、惯性矩和横断面面积; E_s、I_s、A_s分别为钢梁的弹性模量、惯性矩和横断面面积; k(x)为组合梁在x截面处的曲率, k(x)=v″(x); B₀=E_cI_c+E_sI_s; N_c(x)、N_s(x)分别为混凝土顶板和钢梁的轴力, 以受压为正, 受拉为负。

1.2.3 组合梁的试探函数

设混凝土顶板的轴向位移函数为:

$u_{c 0} (x) = c_{1} + c_{2} x + c_{3} x^{2} + c_{4} x^{3} (7)$

根据式(5)(6)(7)可得:

$u ″_{s 0} (x) = - 2 α c_{3} - 6 c_{4} αx (8)$

式中:α =E_cA_c/(E_sA_s)。

对式(8)进行积分可得:

$u_{s 0} (x) = - c_{3} α x^{2} - c_{4} α x^{3} + c_{5} x + c_{6} (9)$

由式(4)(5)可得:

$v' (x) = \frac{1}{z_{d}} u_{c 0} (x) - \frac{1}{z_{d}} u_{s 0} (x) - \frac{β}{z_{d}} u ″_{s 0} (x)$ (10)

式中:β =E_sA_s/K。

由式(7)(9)(10)可得组合梁的转角为:

$v' (x) = \frac{1}{z_{d}} c_{2} x + \frac{1 + α}{z_{d}} c_{3} x^{2} + \frac{2 αβ}{z_{d}} c_{3} + \frac{6 αβ}{z_{d}} c_{4} x + \frac{1 + α}{z_{d}} c_{4} x^{3} - \frac{1}{z_{d}} c_{5} x + \frac{1}{z_{d}} c_{7}$ （11）

对式(11)进行积分可得组合梁的竖向位移为:

$v (x) = \frac{1}{2 z_{d}} c_{2} x^{2} + \frac{1 + α}{3 z_{d}} c_{3} x^{3} + \frac{2 αβ}{z_{d}} c_{3} x + \frac{3 αβ}{z_{d}} c_{4} x^{2} + \frac{1 + α}{4 z_{d}} c_{4} x^{4} - \frac{1}{2 z_{d}} c_{5} x^{2} + \frac{1}{z_{d}} c_{7} x + c_{8}$ (12)

式中:c₁~c₈为待定系数, 设单元左侧i结点的位移分别为u_c_i、u_s_i、v_i、φ _i, 单元右侧j结点的位移分别为u_c_j、u_s_j、v_j、φ _j, 代入式(7)(9)(11)(12)中可解得8个待定系数, 由此可得到组合梁的位移函数为:

$u^{e} = N δ^{e} (13)$

式中:u^e=[ $\begin{array}{l} u_{c 0} & u_{s 0} & v & φ \end{array}$ ]^T为单元的位移试探函数; δ ^e=[u_c_i u_s_i v_i φ _i u_c_j u_s_j v_j φ _j]^T为单元的结点位移列阵; N为位移函数矩阵, 令α ₁=1+α , β ₁=α ₁l $(l - 2 x)$ -36α β , 则矩阵N可写成如下形式:

$N = [\begin{array}{l} A_{1} & A_{2} & A_{3} & A_{4} & A_{5} & A_{6} & A_{7} & A_{8} \\ B_{1} & B_{2} & B_{3} & B_{4} & B_{5} & B_{6} & B_{7} & B_{8} \\ C_{1} & C_{2} & C_{3} & C_{4} & C_{5} & C_{6} & C_{7} & C_{8} \end{array}]$

式中:A₁=1- $\frac{x}{l}$ + $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 αβl}$ ;

A₂=- $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 αβl}$ ;

A₃=- $\frac{6 z_{d} (l - x) x}{α_{1} l^{3}}$ ;

A₄=- $\frac{β_{1} (l - x) x z_{d}}{12 α_{1} αβ l^{2}}$ ;

A₅= $\frac{x}{l}$ - $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 αβl}$ ;

A₆= $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 αβl}$ ;

A₇= $\frac{6 z_{d} (l - x) x}{α_{1} l^{3}}$ ;

A₈= $\frac{β_{1} (l - x) x z_{d}}{12 α_{1} αβ l^{2}}$ ;

B₁=- $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 βl}$ ;

B₂=1- $\frac{x}{l}$ + $\frac{(l - x) (l - 2 x) x}{12 βl}$ ;

B₃= $\frac{6 z_{d} (l - x) αx}{α_{1} β l^{3}}$ ;

B₄= $\frac{β_{1} (l - x) z_{d} αx}{12 α_{1} αβ l^{2}}$ ;

B₅= $\frac{(l - x) (l - 2 x) αx}{12 αβl}$ ;

B₆= $\frac{x}{l}$ - $\frac{(l - x) (l - 2 x) αx}{12 αβl}$ ;

B₇=- $\frac{6 z_{d} (l - x) αx}{α_{1} l^{3}}$ ;

B₈=- $\frac{β_{1} (l - x) z_{d} αx}{12 α_{1} αβ l^{2}}$ ;

C₁= $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2}}{24 αβ z_{d} l}$ ;

C₂=- $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2} + 12 β (1 - α)}{24 αβ z_{d} l}$ ;

C₃=1- $\frac{3 x^{2}}{l^{2}}$ + $\frac{2 x^{3}}{α_{1} l^{3}}$ ;

C₄=x- $\frac{2 x^{2}}{l}$ + $\frac{x^{3}}{l^{2}}$ - $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2}}{24 αβl}$ ;

C₅=- $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2}}{24 αβ z_{d} l}$ ;

C₆= $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2}}{24 αβ z_{d} l}$ ;

C₇= $\frac{3 x^{2}}{l^{2}}$ - $\frac{2 x^{3}}{α_{1} l^{3}}$ ;

C₈=- $\frac{x^{2}}{l}$ + $\frac{x^{3}}{l^{2}}$ + $\frac{α_{1} {(l - x)}^{2} x^{2}}{24 αβl}$ 。

2 考虑剪切滑移效应的组合梁单元刚度方程

根据式(13)可得单元内任意截面的应变为:

$ε_{1} = B_{1} δ^{e} (14)$

式中:ε ₁为单元的应变列阵, 可表示为:

$ε_{1} = {[\begin{array}{l} ε_{c 0} (x) & ε_{s 0} (x) & k (x) \end{array}]}^{T} (15)$

B₁为应变矩阵, 可用如下矩阵表示:

$B_{1} = [\begin{array}{l} b_{11} & b_{12} & b_{13} & b_{14} & b_{15} & b_{16} & b_{17} & b_{18} \\ b_{21} & b_{22} & b_{23} & b_{24} & b_{25} & b_{26} & b_{27} & b_{28} \\ b_{31} & b_{32} & b_{33} & b_{34} & b_{35} & b_{36} & b_{37} & b_{38} \end{array}]$ (16)

B₁中的各元素可按式(17)求解:

$\{\begin{array}{l} b_{ij} = \frac{d n_{ij}}{d x} \\ b_{3 j} = \frac{d^{2} n_{3 j}}{d x^{2}} \end{array}$ (17)

式中:i=1, 2; j=1, 2, …, 8; n_ij为位移函数矩阵N中对应的元素。

根据式(3)(13)可得组合梁交界面处的剪切滑移量为:

$ε_{2} = Δ u (x) = B_{2} δ^{e}$ (18)

式中：

$B_{2} = [\begin{array}{l} b_{41} & b_{42} & b_{43} & b_{44} & b_{45} & b_{46} & b_{47} & b_{48} \end{array}]$ （19）

矩阵中各元素可采用式(20)求解:

$b_{4 i} = n_{2 i} - n_{1 i} + \frac{d n_{3 i}}{d x} z_{d}$ （20）

将式(15)(18)合并可写成:

$ε = [\begin{array}{l} ε_{1} \\ ε_{2} \end{array}] = {[\begin{array}{l} ε_{c 0} (x) & ε_{s 0} (x) & k (x) & Δ u (x) \end{array}]}^{T}$ （21）

将式(16)(19)合并可写成:

$B = {[\begin{array}{l} B_{1} & B_{2} \end{array}]}^{T} = [\begin{array}{l} b_{11} & b_{12} & b_{13} & b_{14} & b_{15} & b_{16} & b_{17} & b_{18} \\ b_{21} & b_{22} & b_{23} & b_{24} & b_{25} & b_{26} & b_{27} & b_{28} \\ b_{31} & b_{32} & b_{33} & b_{34} & b_{35} & b_{36} & b_{37} & b_{38} \\ b_{41} & b_{42} & b_{43} & b_{44} & b_{45} & b_{46} & b_{47} & b_{48} \end{array}]$ （22）

基于弹性力学的基本理论, 根据式(4)(6)给出的内力与位移的关系, 可得组合梁单元的势能函数为:

$π = \int_{0}^{l} \frac{1}{2} ε^{T} Dε d x - δ^{e^{T}} F^{e}$ （23）

式中:D为结构的刚度;

$D = [\begin{array}{l} E_{c} A_{c} \\ E_{s} A_{s} \\ B_{0} \\ k \end{array}]$

F^e为单元结点荷载列阵, 由弹性力学基本原理可知:

$F^{e} = \int_{0}^{l} N^{T} q d x + \sum_{j} N^{T} (x) P_{j} + \sum_{k} \frac{d N^{T} (x)}{d x} \frac{M_{k}}{l}$ （24）

式中:q为组合梁单元受到的均布荷载; P_j为集中力; M_k为集中力矩。

根据最小势能原理, 对组合梁单元的势能函数取变分, 由式(24)可得:

$δπ = \int_{0}^{l} δ {δ^{e}}^{T} B^{T} DB δ^{e} d x - δ {δ^{e}}^{T} F^{e} = 0$ (25)

由式(25)可知, 考虑剪切滑移效应的组合梁单元刚度方程为:

$K^{e} δ^{e} - F^{e} = 0$ (26)

式中:K^e为单元刚度矩阵, 可按式(27)求解:

$K^{e} = \int_{0}^{l} B^{T} DB d x$ (27)

根据式(27)即可基于常规有限单元法基本思路求解考虑剪切滑移效应的组合梁的静力响应。

3 有限元解的理论验证

将理论分析与文献[19]给出的试验数据进行对比, 结果如图3和图4所示。从图3和图4可以看出:本文计算值与试验值有较好的一致性, 尤其是挠度的计算结果与试验值吻合得很好, 说明该数值解能够对组合梁在竖向荷载作用下的抗弯性能进行合理的分析和计算。

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	图3 试验梁的挠曲线Fig.3 Deflection curve of test beam

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	图4 剪切滑移应变差Fig.4 Shear slip strain difference

4 考虑剪切滑移时梁的动力响应

根据式(26)所示单元刚度矩阵和结构动力学可知, 无阻尼多自由度体系自由振动方程的推导过程如下。

$Mu ″ + Ku = 0$ (28)

式中:M、K分别为组合梁的质量和刚度矩阵。

假设多自由度体系自由运动为简谐振动, 有:

$u (t) = φ \sin (ωt + θ)$ (29)

式中:φ 表示体系的形状(它不随时间t而变化), 对式(29)求二次导数, 得到自由振动的加速度为:

$u ″ (t) - ω^{2} φ \sin (ωt + θ) = - ω^{2} u (t)$ (30)

将式(29)(30)代入式(27)有:

$- ω^{2} Mφ \sin (ωt + θ) + Kφ \sin (ωt + θ) = 0$ (31)

由于sin $(ωt + θ)$ 为任意正弦函数, 故有:

$(K - ω^{2} M) φ = 0$ (32)

式(32)有非零解的条件是:

$K - ω^{2} M = 0$ (33)

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	图5 组合梁考虑剪切滑移时的竖向振型Fig.5 Vertical vibration mode of composite beam considering shear slip effect

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	图6 组合梁考虑剪切滑移时的轴向振型Fig.6 Axial vibration mode of composite beam considering shear slip effect

本文根据试验梁的尺寸, 在考虑剪切滑移且不考虑阻尼的情况下得到各阶竖向和轴向的自振频率和振型, 如图5和图6所示(此处取前两阶的频率和振型)。

从表1和表2中可以看出:当考虑剪切滑移时, 组合梁的自振频率较完全相互作用有明显减小, 所以在实际进行动载测试过程中, 应考虑剪切滑移的影响。

表1 竖向自振频率和振型 Table 1 Vertical natural frequency and vibration mode

表2 轴向自振频率和振型 Table 2 Axial natural frequency and vibration mode

5 结论

(1)基于接触理论及有限元基本思想推导了考虑剪切滑移效应时的钢-混凝土组合梁的刚度方程。将计算值与试验结果进行对比分析, 验证了该理论的可靠性及合理性。

(2)得到考虑剪切滑移效应的组合梁频率和振型, 并与完全相互作用的结果进行对比分析, 说明在进行动力响应计算时应考虑剪切滑移的影响。

(3)本文给出的2结点组合梁有限元解可以完美地嵌入到目前流行的桥梁和结构设计软件中, 促进了考虑剪切滑移效应的组合梁设计理论的实际推广。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[1]	范旭红, 石启印, 马波. 钢-混凝土组合梁的研究与展望[J]. 江苏大学学报, 2004, 25(1): 89-92. Fan Xu-hong, Shi Qi-yin, Ma Bo. Development and perspective of steel-concrete composite beams[J]. Journal of Jiangsu University, 2004, 25(1): 89-92. [本文引用:1]
[2]	陈宝春, 牟廷敏, 陈宜言, 等. 我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用[J]. 建筑结构学报, 2013, 34(增刊1): 1-10. Chen Bao-chun, Mu Ting-min, Chen Yi-yan, et al. State-of-the-art of research and engineering application of steel-concrete composite beidges in China[J]. Journal of Building Strctures, 2013, 34(Sup. 1): 1-10. [本文引用:1]
[3]	聂建国, 余志武. 钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J]. 土木工程学报, 1999, 32(2): 3-8. Nie Jian-guo, Yu Zhi-wu. Research and practive of composite steel-concrete beams in China[J]. China Civil Engineering Journal, 1999, 32(2): 3-8. [本文引用:1]
[4]	聂建国, 沈聚敏. 滑移效应对钢-混凝土组合梁弯曲强度的影响及其计算[J]. 土木工程学报, 1997, 30(1): 31-36. Nie Jian-guo, Shen Ju-min. Slip effect on strength of composite steel-concrete beams[J]. China Civil Engineering Journal, 1997, 30(1): 31-36. [本文引用:1]
[5]	聂建国, 沈聚敏, 余志武. 考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁变形计算的折减刚度法[J]. 土木工程学报, 1995, 28(6): 11-17. Nie Jian-guo, Shen Ju-min, Yu Zhi-wu. A reduced rigidity method for calculating deformation of composite steel-concrete beams[J]. China Civil Engineering Journal, 1995, 28(6): 11-17. [本文引用:1]
[6]	聂建国, 陶慕轩. 体外预应力钢-混凝土组合梁受力性能的研究现状与展望[J]. 工程力学, 2013, 34(增刊2): 129-141. Nie Jian-guo, Tao Mu-xuan. Research status and perspective on externally prestressed steel-concrete composite beams[J]. Engineering Mechanics, 2013, 34(Sup. 2): 129-141. [本文引用:1]
[7]	刘寒冰, 刘天明, 张云龙. 钢-混凝土组合连续梁抗弯性能[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2009, 39(6): 1486-1491. Liu Han-bing, Liu Tian-ming, Zhang Yun-long. Bending resistance of steel-concrete composite continuous beam[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2009, 39(6): 1486-1491. [本文引用:1]
[8]	Ranzi G, Zona A. A steel-concrete composite beam model with partial interaction including the shear deformability of the steel component[J]. Engineering Structures, 2007, 29(11): 3026-3041. [本文引用:1]
[9]	Fragiacom M, Amaido C, Macorini L. Finite element model for collapse and long-term analysis of steel-concrete composite beams[J]. Journal of Structural Engineering, 2004, 130(3): 389-497. [本文引用:1]
[10]	Salari M R, Spacone E, Shing P B, et al. Nonlinear analysis of composite beams with deformable shear connectors[J]. Journal of Structural Engineering, 1998, 124(10): 1148-1158. [本文引用:1]
[11]	Sebastion W M, Connel R. Nonlinear FE analysis of steel-concrete composite[J]. Journal of Structural Engineering, 2000, 126(6): 662-674. [本文引用:1]
[12]	周旺保, 蒋丽忠, 李书进. 钢-混凝土组合箱梁弯矩曲率恢复力模型研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(1): 78-84. Zhou Wang-bao, Jiang Li-zhong, Li Shu-jin. Moment-curvature restoring force model research of steel-Concrete composite box-beams[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(1): 78-84. [本文引用:1]
[13]	侯忠明, 夏禾, 王元清, 等. 钢-混凝土组合梁动力折减系数研究[J]. 振动与冲击, 2015, 34(4): 74-81. Hou Zhong-ming, Xia He, Wang Yuan-qing, et al. Dynamic reduction coefficients for a steel-concrete composite beam[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(4): 74-81. [本文引用:1]
[14]	戚菁菁, 蒋丽忠, 张传增, 等. 界面滑移、竖向掀起及剪切变形对钢-混凝土组合连续梁动力性能的影响[J]. 中南大学学报, 2010, 41(6): 2334-2343. Qi Jing-jing, Jiang Li-zhong, Zhang Chuan-zeng, et al. Effects of interface slip, vertical uplift and shear deformation on dynamic behavior of steel-concrete composite continuous beams[J]. Journal of Central South University, 2010, 41(6): 2334-2343. [本文引用:1]
[15]	Banerjee J R. Frequency equation and mode shape formulae for composite Timoshenko beams[J]. Composite Structures, 2001, 51(4): 381-388. [本文引用:1]
[16]	沈旭栋, 陈伟球, 徐荣桥. 有轴力的部分作用组合梁的动力分析[J]. 振动工程学报, 2012, 25(5): 514-520. Shen Xu-dong, Chen Wei-qiu, Xu Rong-qiao. Dynamic analysis of partial-interactive composite beam with axial force[J]. Journal of Vibration Engineering, 2012, 25(5): 514-520. [本文引用:1]
[17]	王景全, 殷惠光, 张书兵, 等. 钢-混凝土组合梁考虑界面滑移的振动模态试验研究[J]. 建筑结构学报, 2016, 37(2): 142-149. Wang Jing-quan, Yin Hui-guang, Zhang Shu-bing, et al. Experimental investigation on dynamic properties of steel-concrete composite beams considering effect of interfcial slip[J]. Journal of Building Structures, 2013, 37(2): 142-149. [本文引用:1]
[18]	张书兵, 王景全, 李明, 等. 考虑界面滑移效应的组合梁自振频率计算的修正折减刚度法[J]. 土木工程学报, 2015, 48(12): 41-49. Zhang Shu-bing, Wang Jing-quan, Li Ming, et al. A modified stiffness reduction method for calculating the natural frequencies of composite beams considering the effect of interfacial slippage[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(12): 41-49. [本文引用:1]
[19]	张云龙. 体外预应力钢-混凝土组合梁结构行为的实验研究[D]. 长春: 吉林大学交通学院, 2005. Zhang Yun-long. Test study of external prestressed composite steel-concrete beams structure[D]. Changchun: College of Transportation, Jilin University, 2005. [本文引用:1]

2004

0.0

. 2004, 25(1):89-92

Development and perspective of steel-concrete composite beams

钢-混凝土组合梁的研究与展望

Fan Xu-hong , Shi Qi-yin , Ma Bo.

范旭红, 石启印, 马波

... 将混凝土板设置在梁的受压部分,将抗拉强度高的钢材设置在梁的受拉部分,两种材料按这种方式结合在一起可以充分发挥各自的优势^[1],中国许多桥梁结构都采用这种形式^[2] ...

2013

0.0

. 2013, 34(增刊1):1-10

State-of-the-art of research and engineering application of steel-concrete composite beidges in China

我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用

Chen Bao-chun , Mu Ting-min , Chen Yi-yan

陈宝春, 牟廷敏, 陈宜言

Steel-concrete composite structure is one of the main structures in civil engineering construction. In bridge engineering, composite members can be classified into three types according to the basic bearing behavior, i.e., composite beam, composite column and composite arch. In this paper, the main structure forms and general application of steel-concrete composite bridges in China are described; the research development and engineering application of the new composite structure types presented in recent years are focused on. The traditional steel-concrete composite bridges, such as the shaped steel-concrete slab composite girder, the PC box girder with corrugated steel webs and concrete filled steel tube arch, have been widely used and their specification system has been established by far. In the future, the application experience should be constantly summed up so as to further improve the specifications. At the same time, it is necessary to track closely the latest international trends and carry out innovative research. The research and development of new composite bridge have become very active in our country in recent years. Many new types of steel-concrete composite bridge structures were developed, such as the deck slab with stiffened scaffolding and CFST composite truss, corrugated steel web-CFST composite beam, CFST stiffened scaffolding composite columns, CFST main members with reinforced connection members composite columns and hybrid columns and steel webs (bars)-concrete arch bridge. Some of them have been used in few engineering projects, while others have not been used. In the future, it is important to strengthen their application and popularization, conduct application technology research on the engineering practice requirement, form application guide or technical standards, and make contribution to the development of the composite structures and technical progress of bridge engineering.

钢-混凝土组合结构是土木工程中一种主要的组合结构形式。在桥梁工程中，从基本受力性能出发，可分为组合梁、组合柱和组合拱。介绍了钢-混凝土组合桥梁的主要结构形式及其在我国应用的基本情况，着重介绍了近些年新出现的组合桥梁结构形式的研究进展与工程应用。传统的组合桥梁，如钢梁-混凝土板组合梁、波形钢腹板-PC组合梁、钢管混凝土拱桥等，在我国已有较多应用，规范体系也正在形成，今后应不断总结实践经验，完善规范，同时密切跟踪国际最新发展趋势，开展创新性的研究。新型组合结构桥梁的研发在我国异常活跃，如近年来提出了劲性骨架混凝土桥面板-钢管混凝土桁架组合桁梁、波形钢腹板-钢管混凝土组合梁、钢管混凝土劲性骨架柱、钢管混凝土主肢-混凝土缀板复合柱和混合柱、钢腹板（杆）-混凝土组合拱等新型桥梁组合结构，有些已在实际工程中得到少量应用，有些仍未在实际工程中应用。今后，应加强应用推广，并结合实际工程需要开展应用技术研究，形成应用指南或技术标准，进一步推动我国组合结构学科的发展和桥梁工程的技术进步。

1999

0.0

. 1999, 32(2):3-8 DOI:doi:10.3321/j.issn:1000-131X.1999.02.001

Research and practive of composite steel-concrete beams in China

钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用

Nie Jian-guo , Yu Zhi-wu.

聂建国, 余志武

摘　要：近年来，钢－混凝土组合梁结构在我国发展很快，在建筑和桥梁结构等领域已经得到越来越多的应用，取得了显著的技术经济效益和社会效益。本文较为系统地阐述组合梁在我国的研究和应用情况，并指出了有关钢－混凝土组合梁方面值得进一步研究的问题。

... 近年来,清华大学聂建国^[3,4,5,6]对钢-混凝土组合梁进行了系列研究,推动了组合梁在实际工程中的广泛应用,取得了良好的经济效果 ...

1997

0.0

. 1997, 30(1):31-36

Slip effect on strength of composite steel-concrete beams

滑移效应对钢-混凝土组合梁弯曲强度的影响及其计算

Nie Jian-guo , Shen Ju-min.

聂建国, 沈聚敏

... 近年来,清华大学聂建国^[3,4,5,6]对钢-混凝土组合梁进行了系列研究,推动了组合梁在实际工程中的广泛应用,取得了良好的经济效果 ...

1995

0.0

. 1995, 28(6):11-17 DOI:doi:10.1007/BF02943584

A reduced rigidity method for calculating deformation of composite steel-concrete beams

考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁变形计算的折减刚度法

Nie Jian-guo , Shen Ju-min , Yu Zhi-wu.

聂建国, 沈聚敏, 余志武

钢梁和混凝土之间的相对滑移效应使钢-混凝土组合梁变形增大.组合梁变形计算的现行换算截面法未考虑滑移效应,导致变形计算值偏小、偏于不安全.本文提出用折减刚度法考虑滑移效应对组合梁变形的影响,建立了刚度折减系数的简化实用计算公式.利用本文方法算得的组合梁在使用荷载作用下的挠度计算值与实验结果吻合良好.

... 近年来,清华大学聂建国^[3,4,5,6]对钢-混凝土组合梁进行了系列研究,推动了组合梁在实际工程中的广泛应用,取得了良好的经济效果 ...

2013

0.0

. 2013, 34(增刊2):129-141

Research status and perspective on externally prestressed steel-concrete composite beams

体外预应力钢-混凝土组合梁受力性能的研究现状与展望

Nie Jian-guo , Tao Mu-xuan.

聂建国, 陶慕轩

An externally prestressed steel-concrete composite beam is a new type of structural member combining a steel-concrete composite beam and prestressing technique. Compared with traditional steel-concrete composite beams, prestressed steel-concrete composite beams have six major advantages: 1) increasing the ultimate loading capacity; 2) extending the elastic range of structural behavior; 3) improving the fatigue and fracture behavior; 4) fully utilizing the materials and reducing the structural height and weight; 5) decreasing the deformation under service loading; 6) being helpful to the crack-width control. Based on the review of available research work of externally prestressed steel-concrete composite beams, the research projects to be conducted are proposed.

体外预应力钢-混凝土组合梁是一种将现代预应力技术和普通钢-混凝土组合梁结合在一起的新型承重构件,与普通钢-混凝土组合梁相比,它主要有六大优点：1) 提高极限承载力;2) 扩大弹性工作范围;3) 提高疲劳和断裂性能;4) 充分利用材料性能,降低结构高度和自重;5) 减小使用荷载下的变形;6) 有利于混凝土裂缝的控制。该文系统综述了国内外学者在体外预应力钢-混凝土组合梁结构方面取得的研究成果,并对有待进一步研究的工作进行了展望。

... 近年来,清华大学聂建国^[3,4,5,6]对钢-混凝土组合梁进行了系列研究,推动了组合梁在实际工程中的广泛应用,取得了良好的经济效果 ...

2009

0.0

. 2009, 39(6):1486-1491

Bending resistance of steel-concrete composite continuous beam

钢-混凝土组合连续梁抗弯性能

Liu Han-bing , Liu Tian-ming , Zhang Yun-long.

刘寒冰, 刘天明, 张云龙

为了准确分析钢-混凝土组合梁的抗弯性能,考虑到钢-混凝土组合梁交界面处通过剪力连接件部分相互作用的特点,基于接触理论推导了一种新的复合梁单元有限元刚度方程。考虑到钢-混凝土组合梁交界面处的剪切滑移效应,在交界面上采用两种位移模式以模拟钢梁上缘和混凝土下缘的位移差。通过将计算结果与试验结果对比,表明该计算公式是合理可信的。利用复合梁单元能够有效计算在竖向荷载作用下组合梁的挠度、应变和交界面处剪切滑移应变差等指标沿梁纵向的分布,并且能直接分析栓钉对组合梁抗弯性能的影响,还可以将复合梁单元推广到变截面钢-混凝土组合梁和预应力钢-混凝土组合梁的计算中。

... 连接件在钢梁与混凝土板交界面处传递剪力,使其成为整体,但连接件的刚度并非无限大,在传递剪力的过程中会产生变形,从而导致交界面处产生滑移^[7] ...

2007

0.0

... Ranzi等^[8]分析了刚度及变形等效应对组合梁的影响,提出了考虑滑移和不考虑滑移时的有限元分析方法 ...

2004

0.0

... 试验及研究结果表明^[9,10,11],组合梁的滑移效应会对结构的内力和变形产生不可忽略的影响 ...

1998

0.0

... 试验及研究结果表明^[9,10,11],组合梁的滑移效应会对结构的内力和变形产生不可忽略的影响 ...

2000

0.0

... 试验及研究结果表明^[9,10,11],组合梁的滑移效应会对结构的内力和变形产生不可忽略的影响 ...

2015

0.0

. 2015, 36(1):78-84 DOI:doi:10.14006/j.jzjgxb.2015.01.010

Moment-curvature restoring force model research of steel-Concrete composite box-beams

钢-混凝土组合箱梁弯矩曲率恢复力模型研究

Zhou Wang-bao , Jiang Li-zhong , Li Shu-jin.

周旺保, 蒋丽忠, 李书进

Characteristics of bending moment-curvature hysteresis rule are one of the most important mechanical properties of the steel-concrete composite box-beams. The theoretical elasto-plastic characteristics of composite box beams was provided by establishing the moment-curvature restoring force model. The influence of shear connection degree on bending rigidity of steel-concrete composite box beams was considered by employing power function interpolation. The positive and negative elastic stiffness as well as the section yield moment considering the interface slip were proposed. A trilinear skeleton model of steel-concrete composite box beams was established, which was convenient for engineering application. Based on the test data and theoretical analysis, the positive and negative stiffness degradation rules were obtained. The maximum-oriented restoring force model was further proposed. The computation results using methods proposed in this paper were compared with the test results. The comparison shows that the computing methods of elastic stiffness, yield moment, skeleton curve and moment-curvature restoring force model are in good agreement with the test results. The computing method of the model is very simple, which is easy to calculate by hand.

截面弯矩-曲率滞回规则是钢-混凝土组合梁最重要的力学特性之一，该滞回模型的建立为组合箱梁结构的弹塑性分析提供了可行性。利用幂函数插值方法，考虑剪力连接度对组合箱梁截面弯曲刚度的影响，提出了考虑界面滑移的钢混凝土组合箱梁正向、负向截面弹性刚度及截面屈服弯矩计算方法，建立了组合箱梁截面弯矩-曲率三折线骨架曲线模型；在试验数据与理论分析的基础上，获得了组合箱梁正向及负向刚度退化规律表达式，并进一步提出了钢-混凝土组合箱梁截面弯矩曲率最大点指向型滞回模型，将该模型的分析结果同试验结果进行了比较。结果表明: 提出的组合箱梁截面弹性刚度、屈服弯矩、弯矩-曲率骨架曲线模型及滞回模型均与试验结果吻合良好，且模型计算方法简单明了，便于手算。

... 在组合梁的动力响应方面,由经典动力学理论及已有公式可以对不考虑交界面剪切滑移效应的组合梁进行模态分析^[12] ...

2015

0.0

. 2015, 34(4):74-81

Dynamic reduction coefficients for a steel-concrete composite beam

钢-混凝土组合梁动力折减系数研究

Hou Zhong-ming , Xia He , Wang Yuan-qing

侯忠明, 夏禾, 王元清

... 目前,我国对组合梁静力特性的研究已经较为深入,但对其动力特性,尤其是在考虑组合梁交界面处剪切滑移效应时的动力特性研究还处于起步阶段^{[13,14,15,16]} ...

2010

0.0

. 2010, 41(6):2334-2343

Effects of interface slip, vertical uplift and shear deformation on dynamic behavior of steel-concrete composite continuous beams

界面滑移、竖向掀起及剪切变形对钢-混凝土组合连续梁动力性能的影响

Qi Jing-jing , Jiang Li-zhong , Zhang Chuan-zeng

戚菁菁, 蒋丽忠, 张传增

摘　要：利用力的平衡原理及变形协调条件,在Euler梁和Timoshenko梁理论基础上,分别建立3种钢-混凝土组合梁动力学模型,通过推导相应动力学方程,编制计算分析程序,计算组合梁模型的弯曲振动频率、振型以及在各种动力荷载工况下的动力响应,并与ANSYS模拟结果进行比较分析,验证各种计算模型的合理性,讨论界面滑移、竖向掀起及剪切变形对组合连续梁振动特性和动力响应的影响程度。研究结果表明：考虑界面滑移和剪切变形影响时,组合梁自振频率明显降低,动力响应显著增大,而是否考虑竖向掀起对组合梁自振频率和动力响应均无明显影响;综合考虑3种因素影响的组合连续梁模型所得结果与ANSYS分析结果最符合,并能较好地模拟钢-混凝土组合连续梁的动力性能。

2001

0.0

2012

0.0

. 2012, 25(5):514-520

Dynamic analysis of partial-interactive composite beam with axial force

有轴力的部分作用组合梁的动力分析

Shen Xu-dong , Chen Wei-qiu , Xu Rong-qiao.

沈旭栋, 陈伟球, 徐荣桥

2016

0.0

. 2016, 37(2):142-149 DOI:doi:10.14006/j.jzjgxb.2016.02.018

Experimental investigation on dynamic properties of steel-concrete composite beams considering effect of interfcial slip

钢-混凝土组合梁考虑界面滑移的振动模态试验研究

Wang Jing-quan , Yin Hui-guang , Zhang Shu-bing

王景全, 殷惠光, 张书兵

摘　要：为研究钢与混凝土的界面滑移效应对钢一混凝土组合梁基本动力性能的影响程度和规律，进行了5根跨度3．8133的简支钢一混凝土组合梁的静载和振动模态试验，其中4根采用抗剪栓钉，剪力连接度分别为0．6、0．7、1．0和1．4，另1根采用能提供刚性抗剪连接的开孔钢板连接件。试验结果表明：在静载作用下，随剪力连接度的提高，组合梁的界面滑移减小，抗弯刚度显著增加。竖弯模态试验中，剪力连接度小于等于1．0的3根梁，其前4阶竖向弯曲模态频率与采用开孔钢板抗剪连接件的试验梁相比均有减小，最小减幅为9．8％，最大减幅达26％；剪力连接度为1，4的梁较开孔钢板连接件的试验梁，基频减小了6．1％，第2～4阶自振频率减小幅度均在10％以上，与连接度为0．6的梁相比，其基频增大了13．2％；试验梁的模态阻尼比随着剪力连接度的增大而减小。扭转模态试验中，各阶扭转模态频率差异程度在7％以内，变化规律不明显。由此可见，钢与混凝土板的界面滑移效应对组合梁竖向弯曲自振频率的影响不容忽视，在设计计算中须予以考虑。试验结果可为工程动力分析榀供参考。

... 东南大学王景全等^[17,18]通过室内试验分析了钢-混凝土交界面的滑移效应对组合梁动力性能的影响,指出交界面滑移效应对组合梁自振频率的影响是不容忽视的 ...

2015

0.0

. 2015, 48(12):41-49

A modified stiffness reduction method for calculating the natural frequencies of composite beams considering the effect of interfacial slippage

考虑界面滑移效应的组合梁自振频率计算的修正折减刚度法

Zhang Shu-bing , Wang Jing-quan , Li Ming

张书兵, 王景全, 李明

为建立考虑界面滑移效应的组合梁自振频率实用计算方法,将静力折减刚度法与基于Euler梁模型的理论解析结果进行对比,揭示了静力折减刚度法计算组合梁自振频率的局限性。提出了组合梁自振频率计算的修正折减刚度法,拓展了静力折减刚度在动力计算中的适用范围,且有效统一了考虑滑移效应的组合梁静、动力分析中刚度的计算。基于4根跨度3.8m的简支钢-混凝土组合梁的模态试验结果,对修正折减刚度法进行了验证,结果表明:相比于静力折减刚度法,修正折减刚度法在组合梁自振频率计算中的适用范围更广,且计算精度更高;修正折减刚度法的计算精度与解析公式较为接近,且该方法是通过对广为接受的静力折减刚度法进行修正而得到,相比于解析方法更易被工程设计人员接受。

2005

0.0