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单箱多室波形钢腹板曲线箱梁桥的扭转性能分析

黎杰  
【摘要】:本文依托国家自然科学基金项目,对单箱多室波形钢腹板组合截面曲线箱梁约束扭转性能进行探究,分析时主要面临两大问题,一是波形钢腹板曲梁的弯扭耦合效应,理论过于复杂;二是相对于传统使用的混凝土腹板,波形钢腹板组合截面更易发生扭转变形和畸变变形。针对这两个问题,本文基于曲梁基本理论、薄壁结构扭转理论以及有限元软件进行了相关探索,研究成果有如下几点:(1)基于曲线梁的平衡方程,利用力学分解法,在允许范围内,将曲线箱梁简化为直线箱梁进行计算,并将这一方法运用于波形钢腹板曲线箱梁。对比曲梁理论精确解与简化方法近似解表明:两端简支的波形钢腹板曲线箱梁,当圆心角在40°以内时,简化分析方法适用。对于两端固支的波形钢腹板曲线箱梁,当弯扭刚度比为1(或5、10、20、50)时,圆心角控制在45°(26°、17°、12°、8°)以内,简化分析方法适用。(2)基于薄壁结构扭转分析理论,推导单箱多室波形钢腹板曲线箱梁桥的扭转效应公式,比较理论解和有限元结果,表明:理论公式有一定的精确性,约束扭转主要产生的是约束扭转剪应力,约束扭转翘曲正应力较小,但增大曲梁曲率会增加约束扭转翘曲正应力,这一点对于波形钢腹板曲线箱梁桥要重点关注。(3)基于“等代框架”力学模型,考虑曲率的影响,推导单箱多室波形钢腹板曲线箱梁桥畸变效应公式。对比理论解和有限元结果,研究结果表明:理论公式有一定的精确性;曲梁曲率是产生截面畸变效应的不利因素。(4)针对波形钢腹板扁平箱梁,对比箱室数量对单箱多室波形钢腹板桥梁的影响。研究表明:箱室数量的增加对波形钢腹板抗扭性能的提高较小,但对控制畸变变形有着很大的作用。(5)设置波形钢腹板的倾斜角可以提高波形钢腹板的抗畸变刚度,有利于控制畸变变形。腹板倾斜角在小范围内对截面的畸变效应影响不是很大,但当倾斜角超过10°时,其抗畸变刚度的提高在10%以上。(6)设置支座预偏心,可以改善波形钢腹板曲线箱梁的扭矩分布,控制截面扭转角,但截面的翘曲扭转正应力会增大,这一点对波形钢腹板较为不利。(7)无论是波形钢腹板简支梁桥还是连续梁桥,在满足抗弯承载力的要求下,体外预应力束的布置一般会加剧截面上缘整体外翻的可能性,而体内预应力束则可通过合理的线形达到抵抗扭矩的效果。(8)对比不同腹板类型曲线箱梁畸变性能的差异。研究表明:波形钢腹板的横向抗弯性能高于平钢腹板,波形钢腹板抗畸变性能比平钢腹板优越,而混凝土腹板比前两者抗畸变性能更优越。(9)利用ANSYS有限元软件,揭示了横隔板合理间距与曲率、腹板高厚比以及顶底板宽厚比的关系,拟合了波形钢腹板曲线箱梁桥横隔板间距的计算公式。结果表明:拟合公式具有一定的安全性和适用性。


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