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钢—混凝土组合箱梁空间分析理论与应用研究

卢彭真  
【摘要】: 钢-混凝土组合箱梁结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。组合箱梁结构充分利用了钢箱结构和混凝土结构的优点。近年来,钢-混凝土组合箱梁在桥梁工程中得到了广泛的应用,特别是在异型桥梁结构中大量使用曲线组合箱梁。组合箱梁空间力学行为和使用性能的研究日益受到关注。组合箱梁结构属于新型结构,而曲线组合箱梁结构力学行为,国内尚属空白,在国外鲜有研究,组合箱梁结构的计算理论研究滞后于工程实践应用。组合箱梁结构在设计计算理论体系上,与钢筋混凝土结构相比,仍存在大量尚未解决的问题。为了解组合箱梁的力学行为以及在桥梁结构中的使用性能,在前人研究的基础上,本文对钢-混凝土组合箱梁的滑移、变形、空间位移模式、空间弹性性能、剪力滞效应、畸变效应、剪切变形等几方面进行了深入的研究,提出了钢-混凝土组合箱梁的滑移和变形分析理论,建立钢-混凝土组合箱梁的梁段有限元模型,主要的研究内容如下: 应用Goodman弹性夹层假设处理钢-混凝土组合曲线箱梁的界面非线性问题,考虑界面各种连接情况;通过引入轴线变形转角位移函数,分析钢-混凝土组合箱梁的滑移和变形与荷载的关系;推导了钢-混凝土组合箱梁以挠度和扭转角表达的平衡微分方程组,得出了方程的通解以及考虑界面滑移与曲率的挠度、扭转角和轴向变形转角位移的表达式;求出简支组合箱梁在集中力和均布荷载作用下内力、界面约束内力、混凝土板与开口钢箱梁界面内力以及界面滑移量。利用大型有限元程序ANSYS和本文提出的滑移变形理论进行组合箱梁的滑移效应分析。 基于板梁模型、符拉索夫曲线薄壁梁理论、铁摩辛柯梁理论以及组合梁理论,采用广义坐标法的原理,通过增加自由度的分析方法,在普通梁理论每个节点6个自由度的基础上增加了剪切变形、剪力滞效应、扭转翘曲、畸变角、畸变翘曲、滑移以及滑移应变等7个自由度,提出了一种基于板梁模型的有限组合梁段分析方法;推导了一种新的钢-混凝土组合曲线箱梁分析的组合箱梁梁段单元刚度矩阵,这种组合梁段单元每个节点13个自由度,考虑了组合曲线箱梁的滑移、拉压、弯曲、扭转、剪切、剪力滞效应、翘曲及畸变等特性,及纵向和横向变形的相互作用。按广义坐标法原理,组合箱梁截面上任意一点处的位移为广义位移乘以对应的广义坐标。本文以组合箱梁轴线三个方向的线位移、扭转角、畸变角、剪切变形、剪力滞、滑移等8个自由度为广义位移来描述组合箱梁横截面上任一点的位移。应用最小势能原理,在曲线坐标系下推导了组合箱梁梁段单元刚度矩阵的显式及其等效节点荷载列阵。考虑了组合曲线箱梁横截面剪心和形心不重合的影响,同时编制了相应的有限元分析程序。算例表明了本文理论和程序的正确性和有效性。 根据组合箱梁的结构特点,提出了组合箱梁的薄壁扭转分析模型,同时考虑翼缘混凝土板与开口钢箱梁两种不同的材料特性。利用薄壁结构理论对组合箱梁进行扭转分析,分别给出了相应的分析方法和计算公式。推导了组合箱梁的动力微分方程,并且利用大型通用有限元程序以及本文组合箱梁段单元分析法分别对典型组合箱梁进行动力参数分析。 从既有的异型桥梁结构中抽象出一种典型的人字形组合箱梁桥为研究对象,基于ANSYS软件对组合箱梁在人字形桥梁中的应用进行了一系列的静、动力行为的模拟研究,同时进行多方位的参数分析,指出了组合箱梁在异型桥梁结构应用中注意的问题,为异型组合箱梁桥结构的设计、结构分析提供理论参考依据。结合空间梁格分析方法,提出异型组合箱梁桥梁段单元分析的计算模型及分析计算需注意的问题。最后,对钢-混凝土组合箱梁在斜拉桥、部分斜拉桥、自锚式悬索桥以及连续刚构桥中的应用进行分析讨论。


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