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波形钢腹板组合箱梁桥的力学行为研究

朱德荣  
【摘要】:波形钢腹板组合箱梁桥因其重量小、预应力效率高、无腹板斜裂缝、耐久性较好等诸多优点,受到了桥梁设计者的广泛关注。与一般混凝土箱梁桥相比,波形钢腹板组合箱梁桥具有不同的受力性能,在设计计算方面需要特殊考虑的问题也更多。本文结合模型试验,较为系统地研究波形钢腹板组合箱梁桥的剪力滞效应和腹板剪切效应及其计算方法,建立了波形钢腹板曲线箱梁和多室箱梁的剪力滞效应解析理论,编制了考虑剪力滞效应和腹板剪切效应的梁段有限元法程序,以便实际应用。设计了波形钢腹板组合箱梁的剪滞剪切效应试验方案,制作了波形钢腹板单箱单室简支梁及两跨连续梁试验模型,进行了多种工况下的模型试验,测试了荷载和位移之间的关系,同时获得了纵向应力的分布情况,不仅验证了理论分析的正确性,而且证实了波形钢腹板组合箱梁顶板存在着较为明显的剪力滞效应。研究表明,剪力滞剪切变形双重效应对波形钢腹板组合箱梁的竖向位移有较大的影响。总结了波形钢腹板组合箱梁的受力特点,利用Fortran语言编制了波形钢腹板组合箱梁桥基于空间梁段单元的静动力有限元分析程序,在单元刚度矩阵中,考虑了波形钢腹板组合箱梁的特点,计入了腹板的剪切效应,梁的弯曲性能只考虑顶底板刚度,同时考虑了剪力滞效应的影响,具有计算速度快、计算工作量小、真实反映波形钢腹板桥特性等特点,程序结果和ANSYS板壳单元所建模型结果吻合良好。运用能量变分原理对波形钢腹板单箱双室和单箱三室组合箱梁的剪力滞和剪切双重效应进行了理论分析,得到了剪滞剪切双重效应下的挠度、应力、剪滞系数计算公式,比较了不同工况下的剪力滞效应。将本文理论分析结果与ANSYS板壳单元计算结果进行了对比,得到的剪滞剪切双重效应下的理论结果和ANSYS计算结果吻合良好,验证了理论分析的正确性,可为相关设计提供借鉴。针对波形钢腹板曲线箱梁,依据薄壁曲杆理论,在曲线箱梁翼缘板的基本变形中补充了二次抛物线型剪滞翘曲位移函数,考虑曲线箱形梁约束扭转时,计入了二次剪切变形效应对翘曲位移的影响,利用能量变分原理,考虑腹板的剪切变形效应,得到了波形钢腹板曲线箱梁桥弯、剪、扭耦合计算的控制微分方程及边界条件。应用伽辽金法求解波形钢腹板简支曲线箱梁控制微分方程的数值解,并给出算例进行了理论计算。建立了精细化波形钢腹板曲线箱梁有限元仿真模型,并进行了数值分析,与控制截面位移、应力的解析解答进行了对比分析,验证了解析解与有限元数值分析的正确性。


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