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高速铁路下承式钢箱系杆拱钢—混凝土组合桥结构体系及受力性能研究

周德  
【摘要】: 下承式系杆拱钢-混凝土组合桥跨越能力强,刚度大、噪音小、建筑高度低、动力性能好,随着我国高速铁路的蓬勃发展,应用越来越多。特别是在铁路线跨越城市干道、城市河流、高速公路和铁路等景观要求较高的桥位,该桥式具有明显的竞争优势。 本文以武广客运专线汀泗河140m下承式钢箱系杆拱钢-混凝土组合桥为工程背景,对下承式系杆拱钢-混凝土组合桥的结构体系和受力性能作了较为系统的研究,主要取得了如下创新性研究成果: 1.提出了考虑拱轴线切线倾角影响的下承式系杆拱桥内力和变形的简化解析解。将下承式系杆拱桥分解成梁拱闭合体和吊杆两种构.件,建立下承式系杆拱桥的简化力学模型,基于试验和理论分析,将吊杆力简化为均布力,根据变形协调条件,推导出桥梁内力、变形和拱、梁传力比等的解析计算式。算例表明,该解析解与有限元分析结果吻合良好,与不考虑拱轴线切线倾角影响的解析解相比,计算精度明显提高。 2.按应力最小原则,导出了箱型截面构件在轴力和弯矩共同作用下的最佳截面形状,按桥梁刚度最大原则,提出了最佳截面形状下拱、梁刚度比和桥梁矢跨比的合理取值范围。 3.提出了下承式系杆拱桥纵、横梁式结合桥面在混凝土产生抗力前、后的内力和变形的近似解析解。采用“梁格法”和“边界元法”,根据平衡条件、变形协调条件和边界条件,导出了纵、横梁式结合桥面系第一系统作用下桥面系参与系梁共同作用的近似解析解、第二系统作用下桥面系内力、变形的近似解析解。算例表明,该解析解具有较高的计算精度。 4.通过空间有限元分析,系统研究了高速铁路大跨度下承式系杆拱桥7种纵、横梁式结合桥面的受力特点,提出了改善横梁面外弯曲和减小混凝土板拉应力的多种措施,这些措施效果显著,切实可行。 5.从拱肋的稳定性出发,采用空间有限元方法,对高速铁路大跨度下承式钢箱系杆拱桥拱肋横撑的设置进行了优化研究,提出了横撑的合理数量和间距。结论可为同类型桥梁横撑的布置提供参考。 6.对武广客运专线140m下承式钢箱系杆拱钢-混凝土组合桥完成了1:8的模型试验。通过对纯钢结构和钢-混凝土组合结构各种工况的加载试验,对本文提出的各种计算方法和计算公式进行了考核,对桥面结构的受力状态进行了研究,试验结果与本文计算结果吻合良好。 本文的研究成果已成功应用于武广客运专线汀泗河桥、哈大客运专线新开河叠合拱桥,取得了很好的经济效益和社会效益。


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