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原文传递宽体单箱双室波形钢腹板箱梁桥的力学性能分析

论文题名：	宽体单箱双室波形钢腹板箱梁桥的力学性能分析
关键词：	单箱双室;波形钢腹板;线形监控;内力和应力;车道荷载;承剪比
摘要：	波形钢腹板组合箱梁桥是一种新型结构体系梁桥，其受力体系和施工工艺与传统的预应力混凝土连续梁桥存在一定的差异。本文以平顶山市神马路湛河桥为依托工程，对施工过程中力学性能进行分析，研究车道荷载作用下主梁关键截面剪力分配情况，还分析了施工过程中顶底板应力变化和横向分布规律，并与混凝土腹板箱梁桥进行对比，完成的主要工作和取得的主要结论如下: 　　(1)分别采用有限元软件Midas/Civil和Midas/FEA建立梁单元模型和板壳&实体模型。其中梁单元模型将三片波形钢腹板等效成两片，腹板厚度变为设计图纸厚度的1.5倍，中腹板加腋区混凝土按面积等效原则添加在边腹板加腋区以补偿截面刚度;忽略内衬混凝土区段波形钢腹板作用，完全采用混凝土腹板;最终梁单元模型结果与板壳&实体模型结果基本一致。同时还分析了剪切变形对主梁挠度的影响，结果表明:板壳&实体模型在自重和预应力单独作用下挠度处于梁单元模型考虑剪切变形和不考虑剪切变形结果之间，且考虑剪切变形的梁单元模型结果与板壳&实体模型结果更接近。　　(2)根据依托工程悬臂浇筑施工特点，制定线形监控方案，基于梁单元模型和现场预压数据，分析了湛河桥的施工预拱度和成桥预拱度，从而计算得到了理论立模标高，并将其应用到湛河桥施工过程中。通过对比施工过程中预应力张拉后桥面测点实测标高与理论标高间偏差，发现各号块偏差基本不超过20mm，说明提供的立模标高比较准确，线形控制良好。　　(3)基于梁单元模型，选取6个主梁关键截面，分析了自重、钢束一次、钢束二次等荷载工况下，主梁关键截面内力和应力随施工阶段变化情况。结果表明:徐变二次和收缩二次对主梁内力影响可忽略不计。在悬臂施工过程中，在自重和钢束一次作用下各截面内力和应力幅值随着悬臂段长度增加而增加。在后续施工阶段中，在自重作用下，体系转换对各截面弯矩和剪力影响最大;钢束一次作用下，张拉边跨合龙束、中跨合龙束以及体外束对各截面内力和应力影响显著。钢束二次效应仅存在于边跨合龙后的超静定结构中，张拉中跨合龙束和体外束使各截面弯矩和应力变化明显。分析结果为结构应力监控提供了参照。　　(4)为明确单箱双室波形钢腹板组合箱梁桥剪力传递路径，基于板壳&实体模型，选取0#块与1#块交界面（边跨截面Ⅱ和中跨截面Ⅲ）等5个主梁关键截面，分析车道荷载作用下各关键截面混凝土顶底板以及各钢腹板的承剪比。结果表明:在板壳&实体模型中添加车道荷载时，将集中荷载向加载区间内偏移1个单元可消除截面剪力突变的影响;板壳&实体模型中线荷载+集中荷载和面荷载+线荷载两种加载模式结果偏差不超过2％，在进行承剪分析时可采用任一加载模式;无论是正载还是偏载，集中荷载产生的截面剪力更多被顶底板而非腹板承担;三车道共同作用时，各截面中腹板（腹板2）和尤其是东边腹板（腹板3）承剪比较大，单车道作用时，各截面车道荷载直接作用腹板承剪比最大;车道1（腹板1较近）单独作用时，截面Ⅱ和截面Ⅲ腹板承剪比不均匀性最大，腹板1与腹板3偏差基本达到70％以上，而其余三个截面腹板1与腹板3承剪比偏差基本在30％～65％之间。　　(5)研究施工过程中波形钢腹板箱梁桥与混凝土腹板箱梁桥臂根部截面顶底板应力变化及横向分布规律。关键截面的选取会影响应力横向分布规律，梁段号块交界面顶板存在钢束锚固端，会存在明显的应力集中，虽然本文给出的是混凝土浇筑前后和预应力张拉前后的应力差值，但受已经存在应力集中现象影响，梁段号块交界面及其附近截面应力并不具有代表性;当关键截面离混凝土浇筑位置较近时，存在应力失真现象;张拉预应力在离悬臂根部较近的截面底板引起的应力横向分布表现为腹板附近较大而其他位置较小，而在远离悬臂根部截面底板引起的应力横向分布表现为腹板附近较小而其他位置较大。对于混凝土湿重和挂篮荷载模拟，在加载位置离关键截面较近时，应采用顶底板加载形式，以减小应力集中对结果的影响。对于波形钢腹板箱梁桥，施工过程中浇筑混凝土时，悬臂根部截面顶板产生拉应力，底板产生压应力，应力幅值基本随着混凝土浇筑位置的远离而增大，且应力横向不均匀性逐渐显著;除底板与波形钢腹板共节点处应力复杂外，顶底板应力横向分布表现为腹板附近较小而其他位置较大。将波形钢腹板换为混凝土腹板后，尽管结构自重更大，但因混凝土腹板参与纵向受力，顶底板应力幅值略有减小，但减小量一般不超过0.2MPa，且底板应力横向波动更小，基本只是在中腹板附近出现应力波峰。对于波形钢腹板箱梁桥，悬臂浇筑阶段张拉预应力对悬臂根部截面顶板产生压应力，底板产生拉应力;因钢束均在顶板且靠近腹板，故顶板应力幅值较大，但均不超过3MPa，应力横向分布表现为箱室中间较小而靠近腹板附近急剧增加;底板应力幅值较小，均不超过0.35MPa，在离悬臂根部较近的截面1，底板应力横向分布表现为腹板附近较大而其他位置较小，在离悬臂根部稍远的截面2，底板应力横向分布表现为腹板附近较小而其他位置较大。因体外束数量较多且基本均匀分布在箱室里，故张拉体外束时，悬臂根部截面顶底板均产生压应力，且应力幅值增长显著，应力横向分布均表现为腹板附近较小而其他位置较大。因两截面底板剪力滞效应不同，截面1底板应力在腹板附近急剧减小，而截面2底板除最外缘底板与波形钢腹板共节点连接处应力幅值急剧减小外，仅中腹板附近幅值减小较大。将波形钢腹板换为混凝土腹板后，整个张拉预应力过程中，顶板应力变化规律基本相同，仅幅值有所减小，并以截面2更甚;底板应力横向分布基本与截面2基本相同，在悬臂浇筑阶段，底板应力幅值基本不变，而张拉体外束时，底板应力幅值有所减小，并以截面2更甚。　　(6)对比最大悬臂状态和桥梁合龙后，波形钢腹板箱梁桥与混凝土腹板箱梁桥主梁关键截面顶底板应力横向分布规律。在最大悬臂状态和桥梁合龙后，两种腹板箱梁桥在悬臂根部截面（截面1、截面2）和中跨1/4截面（截面6）顶底板应力是各施工阶段所得应力的累计，各截面顶板应力横向分布均表现为箱室中心和翼板位置较小而腹板附近压应力急剧增加，除波形钢腹板与底板共节点连接处应力复杂外，底板应力横向分布基本表现为中腹板附近较小而其他位置较大，并以截面1和截面2应力幅值和横向波动较大。中跨跨中截面（截面7）顶板压应力较小，底板压应力较大，除波形钢腹板箱梁桥底板最外缘应力幅值较小而混凝土腹板箱梁桥底板最外缘附近应力幅值较大外，横向分布基本均匀。
作者：	涂保中
专业：	建筑与土木工程
导师：	张军锋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2021