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钢桥塔与组合桥塔受力性能试验研究

王茜  
【摘要】: 钢桥塔具有自重轻、强度高、结构耐久可靠、施工周期短、抗震性能好等优点,但与混凝土桥塔相比,其长细比较大,组成板件较薄,容易发生整体失稳与局部失稳。钢桥塔在国外应用较多,近年来在国内得到重视与应用,但相关研究较少。组合桥塔是在钢—混凝土组合结构基础上发展出的一种新型桥塔形式,其结合了钢桥塔与混凝土桥塔的优势,具有良好的应用前景,但目前在国内还少有应用与研究。因此,本文在对国内外文献、资料进行调研的基础上,设计了典型截面型式的钢桥塔模型和组合桥塔模型,开展了相关的模型试验,深入研究了钢桥塔与组合桥塔的受力特性。在试验研究的基础上,进行了数值分析和理论计算,从试验、数值和理论三个方面对钢桥塔与组合桥塔的受力性能进行了全面、系统的研究,提出了钢桥塔与组合桥塔设计计算的实用性建议,论文主要研究成果已被正在修编的《公路钢结构桥梁设计规范》中钢桥塔的章节所采用。本文的主要研究内容如下: 1.研究了钢桥塔的结构构造和截面型式,设计了具有典型构造的矩形截面钢桥塔节段模型。对模型进行了轴心受压试验,得到了钢桥塔节段的局部失稳模态,分析了其受力特性,揭示了钢桥塔局部失稳破坏机理。 2.以实桥钢桥塔为工程背景,设计了带切角矩形截面的钢桥塔节段模型,进行了轴心受压试验,得到了模型的局部失稳模态、变形和应变规律。对比了钢桥塔采用矩形截面和带切角矩形截面时的受力特性,分析了这两种截面型式对钢桥塔稳定性的影响。 3.对不同截面型式的钢桥塔节段建立了板壳有限元模型,进行了第一类稳定分析,以及计入材料非线性、几何非线性和结构初始缺陷影响的第二类稳定分析。结果表明,第二类稳定分析的结果与试验结果吻合较好,本文建立的有限元模型可以较好地分析钢桥塔的稳定问题,第二类稳定分析方法可以指导钢桥塔的稳定设计。 4.开展了矩形截面和带切角矩形截面的钢—高性能混凝土组合桥塔的节段模型试验,研究了不同截面型式组合桥塔的受力特性,并与钢桥塔的受力特性进行了对比分析。结果表明,组合桥塔较钢桥塔具有较高的承载力,并且延缓了壁板局部失稳的发生,具有显著的结构性能优势。 5.借鉴各国规范中关于矩形钢管混凝土结构承载力的计算方法,经过适当修正,进行组合桥塔的承载力计算;同时,在钢桥塔与组合桥塔试验研究的基础上,提出了组合桥塔承载力相应的计算方法。将计算结果与试验结果进行对比,明确了不同方法的适用范围,为组合桥塔承载力的计算提供了参考。 6.采用有限元方法,对不同塔形的钢桥塔分别进行了静力和稳定计算,分析了塔形及横梁位置对钢桥塔静力性能、稳定性能以及极限承载力的影响。 7.研究了钢桥塔内部的合理构造,分析了不同构造型式对钢桥塔稳定性的影响;同时,提出了纵向加劲肋的设计方法,为钢桥塔的构造设计提供了依据。 8.研究了钢桥塔与混凝土基础的常用连接方式,通过对典型塔—基连接方式受力性能和传力特性的比较,提出了不同连接方式的选用原则。


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