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混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法的理论分析与试验研究

王骞  
【摘要】: 随着经济发展,交通量以人们从未曾预想到的速度急剧增大,早期修建的城市桥梁的承载能力、通行能力渐渐不能满足日益增长的交通量的需求,面临拆除重建的现实。为了节约资金、使社会经济效益最大化,采用适当的加固技术和拓宽措施对原有桥梁予以改造是提高旧桥通行能力、满足现代化交通运输的需要的最合理可行的办法。为了满足城市桥梁拓宽的要求,本文结合城市桥梁的特性,在对比分析常用的桥梁拓宽方法特点的基础上,提出了一种新型箱梁拓宽方法—不增设墩柱的钢悬臂加宽混凝土箱梁的方法(Steel Cantilever Widening Concrete Box Girder Method Without Piers,简称SCWCBM)。该方法具有诸多优点,其无需增设桥墩,不占据桥下空间,并能保证加宽后桥梁运营的可靠性。为了验证、推广SCWCBM,本文开展了相关的理论与试验研究,具体内容如下: (1)依据弹性地基梁的反力分析原理,结合钢—砼接触面在临界荷载工况下的受力特性推导出了满足接触面合理受力要求的横向体外预应力筋理论作用范围的解析表达式。 (2)提出了针对SCWCBM的基于钢—混凝土接触面受力问题的优化设计思路:首先利用拓扑优化理论构建钢悬臂梁优化的数学模型,依据拓扑结果指导钢悬臂梁的外形设计及功能孔洞的布设;其次在横向预应力筋的理论作用范围内选取满足横向预应力筋构造要求的作用位置;在此基础上进行细部加劲肋设计;最终所有设计参数的取值通过钢悬臂梁与混凝土箱梁接触面的有限元数值计算结果予以验证。 (3)为了掌握箱梁采用SCWCBM加宽后的扭转可靠性,在考虑剪扭综合效应的基础上,基于修正斜压场理论和薄壁力学原理,提出了适用于钢筋混凝土单箱多室箱梁复合受力抗扭强度计算的理论模型。应用最小势能原理,推导出了混凝土单箱多室箱梁抗扭极限承载力的计算公式,并以此为依据编制了单箱多室箱梁复合受力下抗扭极限承载力计算程序。通过试验对该公式进行了验证,试验结果表明,采用本文的公式计算的单箱多室箱梁的抗扭极限承载力与试验结果符合良好,可以应用其求解加宽后箱梁的抗扭承载力。 (4)以某一工程实例为依托,阐述采用SCWCBM加宽的设计全过程:包括基于钢—砼接触面受力分析的钢悬臂优化设计,抗弯、剪、扭极限承载力的验算,应力验算、稳定验算及疲劳分析。经过上述优化设计及理论验算分析,得到了满足要求的设计方案,可直接应用于工程实际,给予实际工程以良好的理论指导。 (5)通过足尺模型试验,验证了SCWCBM的工程可行性,总结出了一套可供实桥建设参考的施工工艺流程和工序要点,为SCWCBM的实桥应用提供了有力的技术指导和宝贵经验;荷载试验结果与理论计算结果符合较好,试验结果表明整个加宽加固的设计理论是正确的,计算理论分析结果能够真实反映桥梁实际受力情况,验证了优化设计的合理性,理论分析及有限元计算结果的可靠性。


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