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原文传递 ECC-波纹腹板组合梁负弯矩区力学性能研究

论文题名：	ECC-波纹腹板组合梁负弯矩区力学性能研究
关键词：	桥梁工程;负弯矩区;波纹腹板;力学性能;ECC-波纹腹板组合梁
摘要：	波纹钢腹板-混组合梁因自重轻、稳定性高、材料使用效率高和经济效益好等优点，在桥梁建造中得到了广泛的应用。但在波纹腹板组合梁使用过程中，负弯矩区混凝土板开裂问题突出，严重影响了组合梁的正常使用，成为亟需解决的问题。针对普通混凝土（Normalconcrete，简称NC）受拉易开裂的缺点，学者们提出工程水泥基复合材料（EngineeredCementitiousComposite，简称ECC），其具有抗拉强度高、抗裂性能好、耐久性等优点，可显著改善混凝土开裂情况。本文以ECC-波纹腹板组合梁为研究对象，依托陕西省自然科学基础研究重点项目（2022JZ-32），开展ECC-波纹腹板工字型钢组合梁负弯矩区力学性能研究，基于试验研究、有限元模拟和数值形函数插值法进行详细研究，主要研究内容及结论如下：　　（1）针对NC、ECC、钢材以及钢筋开展材性试验，测得试验梁混凝土材料的抗压强度、抗折强度、抗拉强度和弹性模量。结果表明，ECC的抗拉强度比普通混凝土高52%，表现出更好的抗拉性能；ECC具有更强的延性，纤维在破坏的时候可以发挥桥接作用，抑制裂纹的开展。　　（2）以混凝土类型和腹板类型为设计参数，共设计4根组合梁，开展静力试验，测量混凝土应变、钢梁应变、挠曲变形及裂缝等关键数据，探究负弯矩区力学性能。结果表明：相比钢-NC组合梁，钢-ECC组合梁的抗弯承载力平均提高了约5.75%，ECC在一定程度上可提高负弯矩区承载力。此外，波纹腹板的剪应力分布较直腹板更加均匀，受力更为合理，可有效防止试验梁腹板发生剪切破坏。　　（3）利用ANSYS建立有限元模型，对4根试验梁进行模拟并与试验结果进行对比，探究组合梁截面抗弯承载能力；以ECC-波纹腹板组合梁为基础，开展负弯矩区受力性能的参数化分析，探究ECC强度、波纹腹板高度、厚度及翼缘板宽度、厚度对负弯矩区抗弯承载力的影响。参数化分析结果表明：有限元模拟与试验吻合度较高；提高ECC强度可以增大承载力，但增幅很小；随着翼缘板厚度和宽度的增加，ECC-波纹腹板组合梁负弯矩区抗弯承载力显著提升，增加2mm的翼缘板宽度与50mm的腹板高度改变承载能力幅度较为相近，在结构设计中，可以通过优化翼缘板宽度来提高承载能力。　　（4）将有限元模拟与数值形函数方法相结合，考虑数据背后的物理意义，提高插值精度，对试验数据进行插值。通过交叉检验验证插值结果的准确性，扩展试验梁截面的应变数据，得到中支座截面应变场，基于结构受力状态理论分析试验梁在受力过程中的应变演化规律。基于应变场和材料本构，通过积分得到面内弯矩和截面应变能密度，采用M-K准则判断出曲线突变点，将构件的受力过程分为三阶段：弹性、弹塑性以及塑性，深入分析结构受力状态变化特征。
作者：	赵洋洋
专业：	建筑与土木工程
导师：	武芳文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022