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大曲率连续钢箱梁桥结构性能研究

罗涛  
【摘要】:弯钢箱梁桥具有外形简洁美观、结构自重轻、受力性能好、抗扭刚度大、加工方便、施工期短、总体造价不太高、能够很好地适应地形地物限制要求等优点,在城市高架桥、立交桥等大型交通枢纽中,尤其在跨线、跨越地裂缝等特殊场合下应用非常广泛,发展前景非常广阔。对于大曲率连续弯钢箱梁桥的研究有着重要的现实意义。 本文对于大曲率连续弯钢箱梁桥的极限承载力和剪力滞效应进行了系统的研究。首先,对于大曲率连续弯钢箱梁桥结构承载力的概念、类型和稳定问题的类型、分析原则、计算方法以及极限承载力的求解技术、剪力滞效应的基本概念等分别进行了探讨。其次,运用有限元建模对结构极限承载力进行全过程分析,包括容许应力控制下承载力分析、稳定屈曲特征值分析、非线性状态结构极限承载力分析。把加劲肋的面积平摊在箱梁盖板上,将钢箱梁简化为普通箱梁,再采用变分法求解,并与空间有限元法求解进行对比,提出无悬臂板钢箱梁剪力滞系数的近似计算方法。然后,根据实桥结构的材料特性、空间尺寸、连接方式等,按照1:10的比例制作了全桥缩尺模型,用该模型桥进行试验研究。通过试验和理论计算结果的分析对比,来研究弯钢箱梁桥的破坏形态、极限承载能力以及剪力滞效应的变化规律。最后,根据理论计算结果和试验测试结果的分析对比得出相关结论。弯钢箱梁模型桥最不利截面为5000mm跨跨中截面。模型桥破坏时5000mm跨跨中截面底板焊缝处、外侧腹板焊缝处及内侧腹板处均出现宽度为2~5mm的裂缝。模型桥在集中荷载工况下的最小承载力为63kN,均布荷载工况下的最小承载力为45kN/m2;而模型桥在对应于实桥设计荷载的试验荷载作用下的最大应力为29.61MPa。由相似关系可知,在弹性范围内结构的承载力远大于其设计荷载。考虑材料非线性和几何非线性等因素,集中荷载作用下结构的实际极限承载力为156.7kN,均布荷载作用下结构的实际极限承载力为111 kN/m2。而实桥设计荷载对应的模型桥试验荷载为11.41kN,即模型桥的安全系数达到13.7。模型桥结构在稳定分析中以局部失稳为主,一般出现在腹板与横隔板处;稳定系数较大,在整个过程中不会出现失稳现象。无悬臂板钢箱梁由于自身的构造特点,钢箱梁桥截面纵向正应力沿横截面的变化幅度相对较小,变化规律比较复杂;针对受压区理论值与试验值之间的误差,建议采用β·λ作为受压区的应力提高系数。模型桥在线弹性、弹塑性、完全塑性状态下,跨中截面顶板在全塑性阶段剪力滞效应最明显,底板在全过程中剪力滞效应不明显;支点截面顶板在弹性阶段剪力滞效应最明显,底板在全塑性阶段较显著。无论是集中荷载或均布荷载作用下,对于同一个截面,正、负剪力滞效应可同时出现,对于每一个节点(顶底板与腹板相接处的测点),沿桥纵向正、负剪力滞效应均可能出现。在集中荷载或均布荷载作用下,单、双室模型与三、四室模型相比剪力滞效应相差不大,三、四室模型剪力滞效应较小;三室模型受支座反力影响较大,对支座处结构应加强设计。对于单箱四室截面模型,两种定义的曲梁剪力滞系数λ1、λ2区别不大,但λ1和λ2并不随着箱室数的增加而趋于一致。 本文可为大曲率连续弯钢箱梁桥在设计计算中提供参考,并为钢桥规范的修订提供技术资料。


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