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原文传递钢桥面螺栓连接区域受弯性能研究

论文题名：	钢桥面螺栓连接区域受弯性能研究
关键词：	钢桥面;螺栓连接区域;负弯矩试验;有限元仿真;受弯性能
摘要：	为综合解决传统正交异性钢桥面中频繁出现的钢结构疲劳和桥面铺装易损这两大类病害，作者所在研究团队提出了一种新型组合桥面结构—钢-STC轻型组合桥面结构，其由超高韧性混凝土层与正交异性钢板通过剪力连接件形成整体共同受力。超高韧性混凝土层可有效提升钢桥面的整体刚度，不仅能大大改善桥面柔性铺装层的受力状态，同时还能显著降低钢结构中在局部轮载作用下的疲劳应力幅，一举从根本上解决两大类病害问题。　　然而调查发现，在上世纪修建的不少大跨钢箱梁桥中，多采用了钢箱梁栓接技术，在进行桥面维修方案设计时，若考虑采用钢-STC轻型组合桥面结构方案，则螺栓连接区域的STC层厚度势必会因为桥面拼接钢板的存在而减薄，导致局部刚度降低。因此，该区域受力复杂，但目前尚未对其受力性能进行深入研究。因此，对于栓接钢桥，螺栓连接区域的受力值得重点关注。　　出于上述考虑，本文设计了含有螺栓连接区域的传统正交异性钢桥面条带模型及钢-STC轻型组合条带模型，并先后进行了负弯矩试验和有限元模拟，主要完成了以下内容的研究：　　（1）对拟采用钢-STC轻型组合桥面结构方案进行桥面维修的广东汕头礐石大桥进行了初步设计计算。首先采用Midas Civil软件建立了全桥模型，考虑总体荷载效应，计算了主梁体系下桥面STC层的受力大小。然后采用ANSYS软件建立了梁段模型，考虑局部荷载效应，计算了桥面体系及盖板体系下桥面STC层的受力大小。最终将三个基本受力体系计算应力进行叠加得到钢桥面STC层纵桥向最大设计计算拉应力为11.45MPa。　　（2）为初步探究传统正交异性钢桥面中螺栓连接区域的受力性能，对含螺栓连接区域的传统正交异性钢桥面条带模型进行了弹性阶段负弯矩静力试验。试验结果表明，传统正交异性钢桥面螺栓连接区域的截面抗弯刚度远小于其他非螺栓连接区域的截面抗弯刚度，即螺栓连接区域的存在大大削弱了结构的整体刚度，在设计计算中不能忽略螺栓连接区域的不利影响。经试验验证，在设计计算中若需对螺栓连接区域的不利影响进行考虑，可假定螺栓连接区域内仅拼接钢板参与实际受力，且将原拼接结构视为完整的通长变截面结构，按一般结构力学公式进行计算。　　（3）针对螺栓连接区域截面传力复杂的情况，采用有限元软件对高强度螺栓摩擦型抗剪连接进行了模拟，并借助传力比的概念揭示了螺栓连接区域螺栓群传力不均，呈现两端高而中间低的规律。针对栓接钢桥中可能出现的高强度螺栓病害及其成因进行了统计分析，并归纳了相应的预防与整治措施。　　（4）为验证钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于含有螺栓连接区域的实桥钢桥面的可行性，在上文正交异性钢桥面条带模型之上铺设 STC层形成钢-STC轻型组合条带模型，并进行了静力破坏试验与有限元分析。试验结果表明，在正交异性钢桥面之上铺设 STC层形成钢-STC轻型组合桥面结构可有效提升桥面结构的整体刚度，但与此同时由于螺栓连接区域存在拼接钢板，将导致螺栓连接接头局部STC层的厚度骤然变薄，出现局部过早开裂的不利情况。试验结果还表明，针对STC层内螺栓连接接头区域采取不同的局部优化设计后，可在不同程度上阻滞STC层顶面接头区域微裂纹宽度的发展，延缓开裂。具体的局部优化设计主要采取了两项强化构造措施：1）局部加密剪力钉；2）部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接。对两种情形进行组合，共设计了4种不同的方案：1）未采取强化构造措施；2）仅采取第一项措施；3）仅采取第二项措施；4）同时采取两项措施。试验验证当方案3或方案4被采取时，螺栓连接区域之外的一般区域将先于螺栓连接接头区域开裂，即在设计中若采取方案3或方案4，可有效规避螺栓连接区域 STC层过早开裂的风险，其中以方案4效果为最佳。有限元的计算结果表明，试验中STC层的名义开裂应力为17.67MPa，远高于上文礐石大桥桥面STC层的最大设计计算拉应力11.45MPa，换言之，当采用方案3或方案4对礐石大桥进行局部优化设计后，钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于其桥面维修是完全可行的。最终方案4被采用，实桥施工已顺利完成，桥面系运营状况良好。
作者：	郭程
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	邵旭东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文