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波形钢腹板组合箱梁桥的力学性能分析与试验研究

冀伟  
【摘要】:本文针对单箱单室波形钢腹板简支梁与波形钢腹板两跨连续梁采用理论分析、三维有限元数值模拟以及室内模型试验相结合的方法,对其静力、动力特性进行了深入系统地研究,主要工作和研究成果如下: (1)设计制作了波形钢腹板室内试验梁模型,测得了试验梁的荷载—位移变化关系、截面的纵向应力分布规律、自振频率和振型,为随后进行的波形钢腹板组合箱梁静、动力学特性研究奠定了试验基础。 (2)在忽略波形钢腹板纵向抗弯作用的基础上,运用能量变分法推导出了计算波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的控制微分方程和相应的自然边界条件,推导了在集中荷载、均布荷载作用下波形钢腹板两跨连续箱梁剪力滞系数的计算公式,并通过与实测值及三维有限元值的比较分析,三者结果吻合良好,验证了所得公式的正确性。 (3)综合考虑波形钢腹板剪切变形与箱梁剪力滞效应,并对波形钢腹板的剪切模量进行修正,运用能量变分法推导了均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁与两跨连续箱梁的挠度计算公式,计算公式的正确性得到了室内模型试验的实测值及有限元值的验证。在此基础上分析了随着波形钢腹板组合箱梁宽跨比和高跨比的变化、波形钢腹板剪切变形与箱梁剪力滞效应分别对均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁和两跨连续箱梁挠度的影响程度。 (4)利用叠加原理解决了集中荷载作用下运用能量变分法求解波形钢腹板两跨连续箱梁挠度时,由于截面上竖向剪力的一阶导数为零而无法通过二次积分计算出由剪力引起的挠度问题,计算方法的正确性得到实测值与有限元结果的验证,并在此基础上分析了随着波形钢腹板组合箱梁宽跨比和高跨比的变化、波形钢腹板的剪切变形与箱梁剪力滞效应分别对集中荷载作用下波形钢腹板两跨连续箱梁挠度的影响程度。 (5)运用能量变分原理与Hamilton原理,忽略波形钢腹板的弯曲应变能,在综合考虑波形钢腹板剪切效应与箱梁剪力滞效应的基础上,对波形钢腹板的剪切模量进行修正,推导出了波形钢腹板简支箱梁竖向弯曲振动频率的计算公式,所得公式揭示了影响波形钢腹板简支箱梁竖向弯曲振动频率的因素为波形钢腹板的剪切效应、箱梁剪力滞效应及两者的耦合效应。计算公式所得结果与实测值、有限元值吻合较好,验证了计算公式的正确性。 (6)在所得波形钢腹板简支箱梁竖向弯曲振动频率计算公式的基础上,运用分段函数法推导出了波形钢腹板两跨连续箱梁竖向弯曲振动频率计算公式,计算结果与三维有限元值、实测值吻合良好,验证了计算公式的正确性。 (7)进一步研究表明《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)里关于简支梁和连续梁竖向基频的计算公式不适用于简支和连续体系下的波形钢腹板组合箱梁竖向基频的计算,本文给出了合理计算单箱单室波形钢腹板简支梁、两跨连续梁竖向基频的计算公式,并对公式的正确性进行了验证。


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