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板—桁组合结构桥梁结构行为的理论和试验研究

刘自明  
【摘要】: 斜拉桥是一种跨越能力很强的桥梁。混凝土桥面板和钢主桁相结合共同作用的板—桁组合结构,因有许多优点而在公铁两用斜拉桥中获得应用。因其特殊性,相关的参考文献极少。由于功能上的需要,芜湖公铁两用长江大桥采用了这种桥型。为全面了解其受力特点,作者对其若干关键技术问题进行了相应的试验研究和分析,本文的主要工作包括以下几个方面: (1)论文基于非线性连续介质力学的基本原理,详细论述了结构几何非线性分析理论,讨论了U.L.列式与T.L.列式的区别,分析了大跨度斜拉桥各种几何非线性产生的根源;推导了斜拉索等效弹性模量、桥塔与主梁考虑梁一柱效应的稳定性修正函数,指出Fleming的稳定函数中S5存在奇异性,给出了各种非线性因素的处理方法。 (2)根据芜湖长江大桥的结构特点,建立了板桁结合梁段单元,这种梁段单元能考虑拉、压、弯、扭、畸变和翘曲变形;对于混凝土桥面板,采用多参数剪滞翘曲位移函数,以考虑混凝土桥面板面内非均匀纵向变形的影响。用质点总位移等于结构整体变形引起的位移和局部变形引起的位移相迭加思想,形成了该单元的位移模式与位移计算式。 (3)为研究明了芜湖长江大桥静力特性、动力特性及其合理刚度值,完成了1:50缩尺的全桥整体模型试验。试验模型采用相似准则尽可能准确地模拟塔、索、主桁和桥面板等主要构件及其结构细节。对伸臂施工过程、合拢阶段、成桥各种荷载工况都进行了模拟试验,探明了板桁之间传力特点、主桁各杆件受力特点,桥面板应力分布特点、成桥状态次应力分布特点及桥面板剪滞分布特点,同时对其动力特性和最大伸臂阶段风致变形特点进行了试验和分析。以上研究为施工图设计和施工控制提供了依据和参考。 (4)为深入研究板—桁组合结构的受力特点,研究主桁上弦杆通过剪力钉与桥面板的相互作用和传力机理,综合考虑各方面因素,按照相似原理,采用1:5的几何缩尺,进行了包括七个节间的节段模型试验,重点考察研究:①副桁的传力特点;②板与上弦的内力分配及板的有效宽度;③下平联及铁路桥面系的内力分配;④主桁杆件的次应力;⑤节点剪力钉与节间剪力钉的传力特点;⑥桥面板的应力分布等。将试验数据与理论分析结果进行对比,得出了一些有实用价值和一定理论意义的结构。 (5)钢桁梁整体节点的使用日益增多,这种构件形状不规则,受力特别大,其各细部的疲劳特性及内力分布是桥梁工作者最为关心的问题。本研究按芜湖长江大桥的实用整体节点,采用1:4的缩尺,对其进行了疲劳试验和内力分布试验;并将其应力分布与有限元分析结果进行了对比,得出了一些有价值的结论。


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