弯剪扭复合作用下混凝土U型薄壁梁工作性能及设计方法研究

U-shaped thin-walled concrete beams widely used in urban construction of rail viaducts are usually subjected to the combined actions of bending, shear and torsion due to concomitant transverse wind load and traffic load and eccentric load in multilane. However, relative researches are rarely reported and cannot satisfy the demand for engineering. This program is intended to carry out theoretical derivation, FE analysis and experiments to investigate their mechanical property and failure mechanism. Firstly, a 3-dimention linear analysis model will be established. Secondly, considering the stiffness degradation after concrete cracking, the nonlinear constitutive relation of steel and concrete will be introduced. And thus, basing on the stiffness degradation curve of free torsion and warping torsion, a 3-dimention nonlinear analysis model will be established. Thirdly, a bending-torsion analysis model will be proposed to consider the effect of nonzero midplane shear deformation and concrete cracking. Finally, 4 U-shaped beams with different span-height ratio, vertical load ratio and stirrup ratio will be tested under bending-shear-torsion to investigat the mechanical property and failure mechanism. The valid of the theoretical analysis and nonlinear analysis will be verified, and then we intend to put forward the calculation method of ultimate bearing capacity, which may provide technical reference for the design of U thin-walled beams.

混凝土U型薄壁梁在城市轨道桥梁中应用日益广泛，由于伴随有横向风荷载、车辆摆动力及双车道偏心荷载的作用，U型薄壁梁往往处于弯剪扭复合受力状态，但相关研究成果很少，无法满足工程需求。本项目针对这一问题，拟采取理论推导、有限元模拟和试验验证的方法，对其力学性能和破坏机理进行深入研究。首先建立弯剪扭作用下的空间线性分析模型，进而引入钢筋和混凝土的非线性本构关系，建立以自由扭转刚度和翘曲扭转刚度退化曲线为基础的空间非线性分析模型，同时考虑中面剪切变形非零以及混凝土开裂影响进行分析；在此基础上，设计并完成不同跨高比、竖向荷载比和配箍率的4个U型薄壁梁的弯剪扭复合作用单调加载试验，探究不同弯剪扭比例的弯扭相关和剪扭相关力学性能和破坏形态，验证理论分析和非线性分析结果，进而提出弯剪扭复合作用下极限承载力的计算方法。

U形薄壁混凝土梁广泛应用于城市轨道交通工程，在车辆横向偏心荷载和横向振动等作用下，常处于弯-剪-扭复合受力状态。本项目采取理论分析、试验研究以及有限元数值模拟的方法，对弯-剪-扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的力学性能进行系统深入的研究，取得的主要研究成果如下：（1）根据Vlasov约束扭转弹性理论计算了弯-剪-扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的弹性内力，阐述了弯扭比、跨高比及支承条件对U形薄壁梁弯剪扭性能的影响规律，推导了弯-剪-扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的弯曲开裂荷载和剪切开裂荷载的表达式；（2）建立了钢筋混凝土U形薄壁梁弯剪扭复合作用的非线性模型，借助条带法、面积等效代换和修正坐标系等方法，得到翘曲扭转刚度与扭转角二阶导数的关系，采用四阶龙格—库塔法求解扭转平衡微分方程，编制了非线性分析程序，得到了扭矩-扭转角全过程曲线；（3）完成了弯-剪-扭复合荷载作用下不同扭-弯比的4根U形薄壁混凝土梁的试验研究，获得了U型梁承载至破坏的全过程中混凝土应变、纵筋应变、箍筋应变的分布及发展规律，以及裂缝的形成与分布及发展规律，实测了构件截面各角点位移，获得试件的荷载—位移（M-f, T-φ）曲线，分析了破坏形态和基本特征。（4）建立并标定了弯剪扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的有限元分析模型，并针对跨度-特征长度比、支承条件、扭-弯比、纵筋-箍筋面积开展了参数分析，揭示了四个参数U形薄壁混凝土梁约束扭转力学性能及破坏模式的影响规律。（5）利用塑性桁架理论，分别列出U形薄壁混凝土梁发生弯曲破坏时和发生剪切破坏时的极限受力平衡方程，提出弯-剪-扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的破坏模式和极限荷载理论计算模型，建立了发生弯曲破坏时和发生剪切破坏时的弯矩-剪力-扭矩承载力相关关系，并提出了设计流程。本项目成果揭示了弯-剪-扭复合作用下U形薄壁混凝土梁的工作机理，所提出的设计方法为工程应用提供了技术参考。