1.1 组合梁的概念
组合梁是由混凝土板和钢梁构成的受力结构，此受力结构钢梁主要位于受拉区，发挥材料的抗拉性能，同时，使混凝土位于受压区，能发挥混凝土受压能力强的材料特性，使两种材料都能充分发挥其最优受力特性。两种材料通过设置在混凝土和钢梁交界面的剪力连接件使之成为一个整体，并传递受力变形所产生的剪切力，实现两种材料的协调变形。 自 1950 年以来，随着组合梁在我国的研究的深入，发现组合梁不仅可以满足工程的需要，而且取得了较大的经济效益和社会效益，并在工程实践中得到了越来越广泛的应用。
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1.2 双层叠合面组合梁
双层叠合面组合梁是将不同力学性能的材料在两个交界面处通过运用较合理的结合方式进行连接，形成有两个滑移面的层合结构。相对于普通的钢-混凝土组合梁，由于双层叠合面组合梁多了一个交界面，导致其受力状态、变形状态的计算更为复杂。双层叠合面组合梁在工程中出现了不同的种类，采用混凝土-钢梁-混凝土组合形式的桥梁有法国的 La Ferte Saint-Aubin 桥、美洲的卡罗尼河桥等；三层结构中上下采用钢板中间为混凝土梁；还有在钢-混凝土组合梁的底层通过某种连接（一般通过栓接或胶结）碳纤维等复合材料而形成的的双层叠合面组合梁；对于国内的一些波形钢腹板中，上下缘采用混凝土翼板也可以看作双层叠合面组合梁。
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第 2 章 室内试验内容和方法
虽然目前国内对钢-混凝土组合梁做了大量的试验及研究，但对双层叠合面组合梁理论和试验研究相对较少。Sen.R 等[63]分别运用 2mm 和 5mm 的碳纤维板对钢-混凝土组合梁进行加固，来判断碳纤维加固对组合梁承载力的影响，通过对 6 根试验梁进行试验，结果证实了运用碳纤维对组合梁进行加固能够较有效的提高承载能力。Al-Saidy[64]运用不同弹性模量的碳纤维板对钢-混凝土组合梁加固，判断哪种弹性模量的碳纤维板的加固效果更好，试验得出运用碳纤维板材加固的组合梁的强度提高明显，采用碳纤维板材的弹性模量接近或高于钢材弹性模量时，其力学性能更加优异。国内外研究缺乏对双层叠合面组合梁的研究，本文研究的双层叠合面组合梁是在普通钢-混凝土组合梁的基础上，将钢梁采用两个槽钢，为使碳纤维板能更多参与组合梁受拉区的受力和为使碳纤维板与钢梁能够有效连接，碳纤维板与钢梁的连接采用高强螺栓进行连接，此梁以下称为 csf 梁。为了获取双层叠合面组合梁的受力特性，为下一步理论和工程应用研究打下基础，作者用了一年时间进行了双层叠合面组合梁室内模型制作与试验。
2.1 试验目的
为了给双层叠合面组合梁研究提供试验依据，作者通过对 1 片计算跨度为1800mm 的双层叠合面组合梁对称加载，为双层叠合面组合梁的理论研究和实际应用提供试验依据。主要研究： （1）研究在静力荷载作用下，双层叠合面组合梁的受力状态及破坏形态。 （2）研究双层叠合梁的力学行为，其中包括荷载与挠度的关系、截面应变分布图、截面应变与力的关系和各交界面的应变差沿梁长的分布规律等。
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2.2 试验设计
为了达到以上试验目的，笔者通过 1 片 2000mm 的双层叠合梁作为试验梁。上层混凝土板和中间层钢梁之间用两排横向栓钉连接，中间钢梁和底层的碳纤维板同样用两排横向栓钉连接。通过试验测出试验梁的受力状态，特征荷载包括比例荷载、弹性荷载、开裂荷载和塑性荷载，混凝土的应变，中间钢梁的应变，底层钢板的应变，交界面的应变差，四分点及跨中的挠度等，并详细记录了裂缝随荷载增加的开展情况。为了充分研究组合梁的静力响应，为了防止加载过程中支座附近发生失稳，在试验梁的两端各填充灌浆料 100mm。在浇筑试验梁时，采用同一批混凝土浇筑了6 个 150×150×150mm 标准混凝土试块，将这 6 个试块放置在与试验梁相同的环境下进行养生，此试验梁的其他试验参数如下表 2-1 所示：为了对单调荷载作用下的双层叠合组合梁进行试验分析，作者采用的试验加载设备为电液伺服结构试验系统，如图 2-8，该设备能够在任意时刻保持荷载不变，加载采用荷载控制法，试验时的加载精度能达到 0.01k N，能满足试验要求的精度，在梁的顶端采用反力梁来施加对称集中加载。
第 3 章 有限元软件 ANSYS 模拟分析 .... 33
3.1 概述 ......... 33
3.2 ANSYS 有限元模型的建立 .... 33
3.2.1 有限元的单元类型 ....... 34
3.2.2 材料属性 ....... 35
3.2.3 组合梁几何尺寸 ........... 36
3.2.4 边界条件和加载过程 ........... 37
3.3 ANSYS 模拟计算结果分析 .... 38
3.3.1 组合梁的应力 ....... 38
3.3.2 沿梁长挠度变化 ........... 38
3.3.3 应变结果分析 ....... 39
3.4 本章小结 ......... 41
第 4 章 考虑剪切滑移效应的双层叠合面组合梁静力响应求解 ..... 42
4.1 概述 ......... 42
4.2 均布荷载作用下双层叠合面组合梁受力性能分析 ..... 42
4.3 集中荷载作用下双层叠合面组合梁的有限元解 ......... 57
4.4 双层叠合面组合梁理论验证 ......... 65
4.5 本章小结 ......... 67
第 5 章 结论与展望 ..... 68
5.1 结论 ......... 68
5.2 展望 ......... 68
第 4 章 考虑剪切滑移效应的双层叠合面组合梁静力响应求解
4.1 概述
组合梁作为一种具有较优的受力性能的桥梁结构形式，我国现行设计规范中，通过对设计荷载作用下，对组合梁的位移和应力进行限制，使其满足规范要求。在对组合梁进行受力分析时，通常采用折减刚度法[2-7]。本章基于弹性理论和结构力学，考虑双层叠合梁交界面的剪切滑移对结构受力的影响，将推导碳纤维-钢-混凝土双层叠合面组合梁在均布荷载作用下的静力响应。基于弹性理论和有限元基本思想，得到综合考虑两个交界面滑移效应的双层叠合面组合梁单元刚度矩阵的求解方法。这样就可以为计算公路桥梁中常见荷载作用下组合梁的静力响应奠定基础。组合梁在竖向荷载作用下，由于其剪力连接件会发生剪切变形，使在混凝土板下缘和钢梁上缘产生应变差，这样使组合梁在荷载作用下不再满足平截面假定[21]。本文进行双层叠合面组合梁研究时的基本假定：混凝土顶板和钢梁都各自符合平截而假定；混凝土板、钢梁和碳纤维板均视为均质连续体；混凝土板、钢梁和碳纤维板在沿梁长方向的竖向位移和转角都相等；混凝土板下缘和钢梁上缘的交界面处传递的剪应力与交界面的位移差成正比，钢梁下缘和碳纤维板的交界面处传递的剪应力与交界面的位移差成正比，假定各层在荷载作用下不产生竖向掀起位移。
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结论
本文以双层叠合面组合梁为研究对象，对该种组合梁的力学性能进行了理论和试验研究，得出以下结论：
1. 通过对碳纤维-钢-混凝土的组合梁进行室内试验研究，得到了在静力荷载作用下，双层叠合面组合梁的受力状态、破坏形态、荷载与挠度的关系、截面应变分布图、截面应变与力的关系、裂缝的发展分布情况、各交界面的应变差沿梁长的分布规律，从而为双层叠合面组合梁工程应用奠定了试验基础。
2. 按照试验中采用的试验梁的几何特性和材料特性，用 ANSYS 软件对双层叠合面组合梁建模，模拟所得的力学特性能够与试验值很好的吻合，说明此模型具有良好的精度，为双层叠合面组合梁的静力分析提供了一种合理的有限元模型。
3. 基于弹性理论和结构力学，考虑双层叠合梁交界面的剪切滑移对结构受力的影响，推导了碳纤维-钢-混凝土双层叠合面组合梁在均布荷载作用下的静力响应，为双层叠合面组合梁工程应用提供了理论依据。
4. 基于弹性理论和有限元基本思想，得到了考虑两个交界面滑移效应的双层叠合面组合梁单元刚度矩阵计算方法。为计算公路桥梁中常见荷载作用下组合梁的静力响应奠定基础。
5. 将 ANSYS 模拟结果与理论计算结果以及试验结果进行对比分析，将三者的结果进行分析，理论解与室内试验所得到试验结果能较好的吻合，同时也和 ANSYS 模拟结果较好的吻合，验证了本文所推导的双层叠合面组合简支梁的理论解是合理可信的。
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参考文献（略）
