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波形钢腹板组合梁的力学性能研究

王康建  
【摘要】:波形钢腹板组合梁是一种新颖的薄壁钢-混凝土组合结构,具有独特的手风琴效应、优良的结构特性和显著的经济效益,充分发挥了两种典型材料的力学优势,克服了当前桥梁工程中面临的传统混凝土桥梁自重大、长期蠕变和下挠问题,实现了桥梁快速减重,是高比强度、轻量化腹板组合梁的典型结构之一,已在国内外桥梁工程建设中广泛应用。随着工程建设水平的不断提高,波形钢腹板组合桥梁发展呈现大跨径、大曲率、宽悬臂、变截面和新工法等新特征。本文通过考虑这些新特征,紧紧围绕着这一新型组合梁的屈曲性能、横向受力和受剪状态,对存在的关键问题展开了系统研究。首先,由于初曲率效应下波形钢腹板组合梁结构受力特点与无曲率情形下有一定的差异,传统计算理论不再适用于初曲率情形,本文开展了初曲率波形钢腹板组合梁剪切屈曲理论研究;其次,考虑初曲率、腹板刚度及顶板加劲肋的影响,研究了波形钢腹板组合梁的横向性能;最后,提出了大悬臂异步浇筑施工阶段波形钢腹板组合箱梁的剪切理论并揭示了内衬混凝土的抗剪作用。主要研究工作如下:(1)基于经典板壳理论,结合波形钢腹板比拟正交异性壳的本构关系、考虑初曲率的几何方程和平衡微分方程,推导和迭代获得波形钢腹板曲线梁腹板的整体剪切屈曲控制微分方程。由于波形钢腹板通常沿纵桥向较为狭长,本文基于狭长壳挠曲面函数,通过变分求极值的方法,借助数学软件进行符号计算,提出了波形钢腹板曲线梁腹板整体剪切屈曲应力计算公式。为了揭示新型腹板初曲率形成的数学原理,依据波形钢腹板各个板段与曲率半径形成的三角关系,探明了内外波折角和曲率半径的内在联系,明确了内外波折角和中轴线夹角三者的大小关系,并运用参数化分析方法,研究了定曲率和变曲率情形下波形钢腹板的整体剪切屈曲应力伴随腹板外形尺寸、高厚比、波折面长宽比、波幅高度、曲率半径和内外波折角关键影响参数的变化规律,从而解决了具有初始曲率的波形钢腹板组合梁纯剪切屈曲问题。(2)基于Timoshenko理论,研究了不同参数影响下波形钢腹板曲线梁腹板局部剪切屈曲随着板段宽度比的变化规律,确定了局部屈曲系数分布范围,并给出了其平均值。基于Lindner和El-Metwally合成理论,给出了不同范围内板段宽长比的合成屈曲公式,提出了波形钢腹板曲线梁腹板的两阶段不等合成指数及其剪切屈曲设计公式,并提供了不同屈曲模态的判别公式,有效地分离了前人波形钢腹板实验结果的各类屈曲模式,并确认了本文设计曲线的合理性,从而指导初曲率波形钢腹板组合梁腹板设计。(3)考虑初曲率的影响,分析了不同位置集中荷载作用下波形钢腹板组合梁桥面板的横向弯矩及有效分布宽度变化规律,指出了现有桥梁规范中的横向弯矩系数的不适用性,给出了新的修正公式,并发现了两种不利工况,建议工程实践中应予以关注。(4)依据传统混凝土梁、平钢腹板组合梁和波形钢腹板组合梁三种典型梁体的逐步演进的关系,运用腹板等效刚度法,分别建立了三者之间的等效分析模型。通过考虑腹板横向刚度的影响,反映了各类腹板对桥面板约束程度的差异,分别定量地研究了自重和车辆荷载下不同腹板刚度对桥面板横向应力的影响。研究了波高、腹板厚度和板段长度主要波形尺寸和弹性模量对梁体横向刚度的影响,还引入了宽幅桥面板梁体横向性能新的关键影响因素(腹板高度和悬臂板宽度),并提出了有效分布宽度修正系数,确认了模型的准确性。(5)基于传统混凝土梁的构造方法和不同顶板形式组合梁的演化关系,确立了带肋波形钢腹板组合梁模型结构形式,针对肋体宽度、高度和间距关键几何参数对带肋波形钢腹板组合梁悬臂板根部横向应力的影响展开了对比研究和参数化分析,指出自重下横向应力分布具有波动效应且与车轮力下的分布状态差异显著,揭示了加劲肋对横向应力的有效降低作用,给出了肋体关键设计参数合理取值范围,从而指导波形钢腹板组合梁桥面板截面尺寸与合理构造尺寸设计。(6)基于大跨径变截面波形钢腹板大悬臂异步浇筑施工模型,确定了梁高和底板厚的抛物线形函数表达式和施工荷载等效关系式,划分了梁体受力区域,明晰了梁体稳定和非稳定区剪应力分布状态,结合异步浇筑两阶段施工模式,研究了无内衬和有内衬混凝土波形钢腹板梁体承剪状态。最后提出了多个集中荷载作用下抛物线形变截面波形钢腹板组合梁大悬臂异步浇筑施工阶段剪切理论,并据此确认了数值模型的准确性。从而解决了波形钢腹板组合桥梁大悬臂异步浇筑施工状态存在的抗剪承载力问题,避免了施工阶段的不利情形,为设计阶段提供了合理的建议。此外,本文针对新颖异步浇筑施工法展开了详细阐述,创新性地以波形钢腹板本身兼做施工阶段承重结构,实现了挂篮体系的简支化和工作面的扩大化,大幅节约施工工期和减轻挂篮重量,从而实现施工快速化,推进了桥梁工业化进程。


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