钢-混凝土组合梁徐变和收缩效应的理论和试验研究

Steel - concrete composite beams have the characteristics of high strength, large stiffness and good ductility, etc. for taking advantage of the two materials' mechanical properties. They are more and more widely used in civil engineering. In the process of long-term operation , the concrete slab of composite beams will create creep and shrinkage, which can cause cross-sectional stress and internal force redistribution under the steel beam constraints, and change the final stress states. How to calculate the creep and shrinkage effects on composite beams in a series of direct and indirect action? Currently, there is no effective and simple analytical calculation method, and it is not much and not enough for the awareness of them (such as stress and internal force redistribution). Firstly, the research is theoretically to solve the calculation problem of stress and internal force redistribution caused by the creep and shrinkage effects of composite beams, especially to find simple and convenient methods, such as "direct method" put forward by the applicants at the early research stage. Secondly, it is to conduct an experiment to verify the theoretical results, and to explore the creep and shrinkage regularity of composite beams. The research will improve the composite beam theory, reveal its complex mechanical behaviors under creep and shrinkage effects, provide theoretical basis for related contents of future technical codes, and offer valuable references and recommends for engineering design. .

钢-混凝土组合梁发挥了两种材料的受力优势，具有强度高、刚度大、延性好等特点，在土木工程中应用越来越广泛。在长期使用过程中，组合梁中的混凝土板会产生徐变和收缩，在钢梁的约束下将引起截面应力和结构内力重分布，从而导致最终应力状态的改变。怎样来计算组合梁在一系列直接和间接作用下的徐变和收缩效应？目前还缺乏行之有效和简单方便的解析计算方法，对组合梁的徐变和收缩效应（如应力和内力的重分布）的认知也不多和不充分。本项目的研究内容一是从理论上解决组合梁徐变和收缩引起的应力和内力重分布计算问题，尤其是研究简单方便的计算方法，如经项目组的前期研究提出的"直接法"；二是从试验上对理论研究成果进行验证，同时探寻组合梁的徐变和收缩行为规律。本项目的研究将会推进完善组合梁的计算理论和进一步揭示组合梁在徐变和收缩作用下的复杂受力行为，同时也为今后技术标准的相关内容制定提供理论依据，为工程设计提供有价值的参考和建议。

项目的背景和主要研究内容.钢-混凝土组合梁具有强度高、刚度大、延性好等特点，在工程中应用十分广泛。组合梁的混凝土板会产生徐变和收缩，在钢梁的约束下将引起截面应力和结构内力重分布，从而导致最终应力状态的改变。怎样来计算组合梁在一系列直接和间接作用下的徐变和收缩效应？目前需要行之有效和简单方便的解析计算方法，另外，对组合梁的徐变和收缩效应（如应力和内力的重分布）的认知也还不充分。本项目研究内容由理论和试验两方面构成：在理论方面要解决组合梁徐变和收缩引起的应力和内力重分布的计算问题，尤其是简单方便的计算方法；在试验方面，研究组合梁在混凝土板发生徐变和收缩情况下的挠度、截面应变及支反力随时间的变化的反应。.重要结果.用迪辛格（Dischinger）和吕休（Rüsch）的微分本构关系以及特罗斯特（Trost）的代数本构关系推导了组合梁因混凝土板徐变和收缩引起的内力重分布的精确和近似的解析解；利用得到的解析解又推导了“直接法”所需的徐变约束系数，用徐变约束系数和徐变系数可将混凝土的弹性模量进行折减，从而可避免内力重分布的计算，而直接计算截面工作应力。.采集了组合梁徐变和收缩效应的试验的数据，采集时长近两年，这些数据可揭示一些参数（如静定与超静定支承、钢梁大小等）带来的徐变力学行为，也是检验理论公式难得的资料。.关键数据及其科学意义.得到的理论计算公式可用于工程结构设计，尤其是用于桥梁结构，因其徐变和收缩的效应大，也可用于核对及检验有限元软件计算结果。.目前我国《钢结构设计规范》对组合梁的徐变效应处理过于粗糙，当考虑徐变时将混凝土的面积减半，这种处理对于加载早、持荷时间长、环境湿度小、温度高是严重偏于不安全，而与前面情况相反时，又偏于保守。本项目的理论研究结果能考虑多因素（加载龄期、持荷时长、结构环境因素等）对组合梁的徐变和收缩效应进行计算，得到较准确的工作应力，对安全和经济设计是有帮助和意义的，对规程相关条款的改进也是参考价值的。