组合结构桥梁抗剪连接界面细观行为及结构劣化研究

Due to the complex mechanism and discontinuous deformation at the steel-concrete joints in composite bridges, the performance of the steel-concrete joints is difficult to determine. Whether the financial advantage of steel-concrete composite structures can be developed depends on the rationality of the shear joints setting. In this proposal, the cohesive zone model (CZM) will be applied to the failure simulation for shear connective interface of composite bridge. The cohesive softening constitutive equations of shear connective interface in the tensile-shear complex condition will be established. By use of Augmented finite element method(AFEM), the structural physical domain can be independent from displacement interpolation mesh through displacement relational principle, and the refined simulation method for degradation process such as cracking damage of shear connective interface will be studied. Based on the displacement compatibility and load equilibrium, the nonlinear equations to determine the stiffness of the connective steel-concrete joints will be developed, and the coupling effect of steel and concrete will be studied by the macroscopic simulation method. According to the Arlequin method, through the energy distribution function and coupling operator, the multi-scale dimension method based on the related macroscopic characteristics and microscopic behavior as well as the related general performance and local effect of bridge, will be developed, so that the analysis of micro and macro behavior of shear connective zone in composite bridge subjected to the complex loading conditions can be realized, and the degradation mechanism can be explored. It is expected that the proposal can provide the theoretical basis for delicate design and performance improvement of composite bridge, and urge a healthy development of composite bridge in China.

组合结构桥梁钢混交界区非连续变形特征突出、局部受力复杂，其行为特性不易被掌握，抗剪连接性能设置合理与否直接关系到组合结构经济技术优势的发挥。将粘聚区模型应用于组合结构桥梁抗剪连接界面的破坏模拟，建立拉剪复合条件下抗剪连接界面的粘聚软化本构方程；采用增强有限元法，通过位移关联法则将结构物理区域与位移插值网格相独立，对抗剪连接界面开裂破坏等劣化过程的精细化模拟方法进行研究。基于位移协调和力的平衡关系，建立钢与混凝土间的非线性连接刚度分析计算公式，对抗剪连接区钢混相互作用的宏观模拟方法进行研究。基于Arlequin方法构架，通过能量分配函数和耦合算子，建立组合结构桥梁宏观特性与细观行为、整体性能与局部效应相关联的多尺度分析方法，实现对组合结构桥梁抗剪连接区复合受力条件下宏细观行为的分析，揭示其劣化机理，为组合桥梁的精细化设计和性能改善提供理论基础，以积极推动我国组合结构桥梁的健康发展。

组合结构桥梁钢混交界区非连续变形特征突出、局部受力复杂，抗剪连接件周围区域处于复合受力状态，长期作用下容易引起损伤开裂，抗剪连接性能设置合理与否直接关系到组合结构经济技术优势的发挥。将粘聚区模型应用于组合结构桥梁抗剪连接界面的破坏模拟，建立了拉剪复合条件下抗剪连接界面的粘聚软化本构方程；基于位移协调和力的平衡关系，建立了钢与混凝土间抗剪连接件的抗剪刚度计算公式和弹塑性阶段三折线模型，在宏观尺度上解决了考虑界面滑移的实际组合结构力学行为准确描述问题。基于组合梁基本假定，提出了考虑了界面滑移的组合梁静动力解析方法来分析整体效应，如动力系数方法DCM，克服了传统解析方法中常常碰到的数值稳定问题。采用增强有限元法，通过位移关联法则将结构物理区域与位移插值网格相独立，实现了对抗剪连接界面开裂破坏等过程的精细分析，建立了组合结构桥梁宏观特性与细观行为、整体性能与局部效应相关联的多尺度分析方法，为组合桥梁的精细化设计和性能改善提供理论基础。开展了组合结构连接件的推出试验，分析了焊钉连接件的荷载滑移曲线、抗剪强度、抗剪刚度、峰值滑移、混凝土破坏区域大小随焊钉高度和直径的变化规律，根据CT扫描结果对抗剪连接隐蔽区域的破坏特征进行了分析，验证了抗剪刚度公式的基本假定及其弹塑性模型。将组合结构部分抗剪效应分析方法应用于横向分块钢箱梁抗剪临时撑设计分析，解决了分块钢箱梁施工过程中的应力超标与变形不协调问题，并优化了临时撑的布置；基于增强有限元方法，准确计算了6×110 m连续钢箱梁桥在施工过程中的结构变形，实现了对钢箱梁大节段施工的精准控制；分析了5×85 m的组合连续梁桥在车辆活载作用下的挠度及钢梁与混凝土板之间界面滑移效应，对优化组合桥梁结构、提高组合桥梁耐久性具有现实意义。