基于钢—混凝土组合梁的PBL剪力连接件力学性能及失效机理研究

作     者：黄彦轲 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈一馨

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：PBL剪力键 极限抗剪承载力 TMCS-BPNN预测模型 TMCS-ELM预测模型 时变可靠度 

摘      要：钢-混组合梁兼顾钢结构与混凝土结构的优点,愈加广泛应用于桥梁工程和建筑结构中,是我国未来结构体系的主要发展方向之一。Perfobond Leiste(PBL)剪力键是平衡钢结构与钢筋混凝土刚性,保证两者连接稳定的重要传力构件。PBL剪力键力学性能的优劣是影响钢-混组合梁结构使用寿命和可靠性的关键影响因素之一。本文在陕西省交通厅科研项目(18-03X)的支持下,对PBL剪力键破坏机理及其极限承载力研究,不但有助于提高对其传力机理和破坏过程的认识,对实际工程应用也有着重要意义。本文以理论分析与试验研究相结合的方法,通过建立钢纤维混凝土PBL剪力键有限元模型对其破坏形态进行分析,仿真所得载荷滑移曲线和PBL剪力键破坏形态与试验结果相吻合,进一步基于有限元模拟对PBL剪力键抗剪承载力影响因素进行了分析。其次,针对当前PBL剪力键抗剪承载力计算方式普适性不足的问题,提出了一种三角多步布谷鸟搜索算法(Triangular Multistep Cuckoo Search Algorithm,TMCS),对BP神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)与极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)进行优化,进而建立TMCS-BPNN与TMCS-ELM预测模型,对PBL剪力键的极限承载力进行预测,平均误差为2.16%。最后,根据相关规范中钢-混组合梁设计要求,计算PBL剪力键的功能函数,并分别使用蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)方法、序贯重要性抽样(Sequential Importance Sampling,SIS)方法和基于克里金代理模型的SIS(KrigingSIS)方法计算PBL剪力键可靠度,对比功能函数调用次数,SIS方法与Kriging-SIS方法与MC方法相比分别减少98%和99.5%。另外,根据混凝土与钢筋碳化过程,对PBL剪力键进行时变可靠度分析,结果表明,其失效概率呈现先减小后增长的趋势,在服役100年时,失效概率达到5.92%。综上所述,对PBL剪力键进行试验和有限元分析,根据有限元模型计算结果进行极差分析,得到PBL剪力键各设计因素对其极限承载力的影响。此外,构建TMCSBPNN和TMCS-ELM模型对PBL剪力键极限承载力进行了预测。最后,基于钢混组合梁设计要求,对比了基于MC、SIS和Kriging-SIS方法的PBL剪力键可靠度计算。