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波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁设计理论与试验研究

任红伟  
【摘要】:摘要:波纹钢腹板体外预应力箱梁利用波纹钢板代替传统箱梁的混凝土腹板,是国内外新兴的组合结构形式。其自重小、抗震性能好、预应力使用效率高、施工速度快、经济性能优越,在国内外引起了广泛关注。本文从实用性的角度出发,总结了国内外相关研究成果和设计经验,针对设计中的关键问题,采用理论与试验相结合的方法进行了研究,给出了实桥设计建议并进行了实桥试验验证。 针对体外预应力波纹钢腹板混凝土组合箱梁的构造特点,通过剪力连接键剪切滑移应变来建立附加弯矩的公式以考虑对简支波纹钢腹板体外预应力混凝土梁桥截面曲率的影响。并分别利用塑性铰法和梁体变形假设法考虑体外预应力筋应力增量对梁体变形的计算并通过试验进行了验证。结果表明:考虑剪力连接键剪切滑移会增大截面曲率;本文推导公式的计算结果与实测数值接近,可用于同类箱梁设计的参考。 针对波纹钢腹板箱梁扭转和畸变变形较大的特点,考虑箱梁扭转过程中的畸变变形,给出了等截面和变截面的波纹钢腹板组合箱梁偏心增大系数的计算公式。通过试验验证了公式的有效性。结果表明:与混凝土箱梁偏心增大系数经验值相比,波纹钢腹板箱梁由于扭转和畸变引起的偏心增大系数较大;理论推导的偏心增大系数计算公式与试验结果具有较高的一致性,表明该公式可以作为波纹钢腹板箱梁设计的指导。 针对波纹钢腹板箱梁剪力滞和剪切变形明显的特点,利用变分原理法,推导考虑箱梁剪力滞和剪切变形影响的波纹钢腹板箱梁挠度计算公式。结合试验和有限元分析对公式的有效性进行验证,并分析各影响因素的影响程度。结果表明:理论推导的挠度计算公式与试验和有限元分析结果具有较高的一致性,表明该公式可用于波纹钢腹板箱梁设计和施工中的挠度计算;剪力滞对正应力分布有影响,剪切变形对正应力分布没有影响;考虑剪力滞效应能增大1.3%的挠度值;考虑剪切变形能增大44.7%的挠度值,因此在实际中不可忽略。 根据本文的研究成果,结合以往相关研究成果和实桥设计经验的总结,针对构造设计、内力计算和变形验算等关键问题,给出了实桥的设计建议。结合实桥的荷载试验,验证了设计建议的有效性,为实际工程的设计和施工提供了参考。


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