详情

原文传递基于正交试验的新型钢-混组合板梁桥结构参数优化

论文题名：	基于正交试验的新型钢-混组合板梁桥结构参数优化
关键词：	组合板梁桥;钢结构;混凝土结构;优化设计;横向力学性能
摘要：	新型钢-混组合板梁桥由工字钢梁和底层、顶层桥面板组成，采用预制拼装技术施工，其结构取消内横梁，通过现浇顶层桥面板和端横梁实现桥梁整体受力。该桥充分利用钢和混凝土的材料性能优势，自重轻，力学性能好，施工速度快，线形美观，能够解决桥梁周边的环境污染和拥堵难题，应用前景广阔。目前，新型钢-混组合板梁桥结构设计参数的确定，主要依赖于设计人员的工程经验，取消内横梁后结构内力横向分布规律尚不明确，因此，对其结构进行设计参数优化，并掌握桥梁结构横向力学性能，是十分必要的。　　本文以长沙湘府路快改工程组合板梁桥为背景，基于正交试验设计法，开展新型钢-混组合板梁桥结构设计参数优化研究，建立综合优化目标函数，提出结构最优设计参数组合，确定板梁桥横向分布系数计算方法，研究内横梁布置、端横梁宽度及混凝土强度等参数的敏感性，明确新型钢-混组合板梁桥横向力学性能的分布规律。主要研究内容如下：　　（1）建立长沙湘府路快改工程钢-混组合板梁桥有限元模型，分析不同荷载组合作用下桥梁结构变形、应力和桥面板裂缝宽度的变化规律。结果表明，活载作用下板梁桥最大竖向位移为14.94mm；钢板梁最大应力170.88MPa；桥面板最大压应力6.94MPa，最大拉应力4.38MPa，墩顶负弯矩区桥面板带裂缝工作，最大裂缝宽度为0.093mm。新型钢-混组合板梁桥受力满足设计规范要求。　　（2）采用正交试验设计法，选取钢板梁梁高、腹板厚度、混凝土桥面板厚度和强度等参数，设计16组试验，建立以跨中挠度、钢梁最大应力、桥面板最大拉应力以及自重为指标的综合优化目标函数，开展新型钢-混组合板梁桥结构设计参数优化研究，获得30m跨径桥梁设计参数敏感性为：钢板梁梁高＞桥面板厚度＞桥面板强度＞腹板厚度；最优设计参数组合为：钢板梁梁高1.44m，桥面板厚度0.2m，桥面板强度C80，腹板厚度16mm。与长沙湘府路快改工程相比，最优组合方案恒载减小了18.9%，钢板梁最大应力减小了46.1%，桥面板最大拉应力减小11.7%，跨中挠度减小58.3%，验证了本文最优设计参数组合的合理性。　　（3）分析了内横梁布置、端横梁宽度和混凝土强度等参数对新型钢-混组合板梁桥力学性能的敏感性，结果表明，内横梁设置、端横梁混凝土强度对结构位移与受力影响较小，取消设置内横梁合理；板梁桥端横梁宽度影响较明显，建议端横梁宽度取值范围为0.5m~0.7m。　　（4）在最不利偏载作用下，钢-混组合板梁桥横向分布系数呈“U”形变化，横向联系合理；自加载侧1#梁至非加载侧11#梁，竖向位移和钢梁应力的横向变化规律相同，均呈先增长后减小的变化趋势，其中2#梁最大，其后逐渐减小，中梁至非加载侧变化较小；底层预制板和顶层现浇板应力的横向变化规律一致，2#梁桥面板压应力最大，自加载侧2#梁至非加载侧9#梁，桥面板压应力逐渐减小，9#梁至非加载侧边梁，桥面板由受压变为受拉，拉应力较小。可见新型钢-混组合板梁桥横向刚度大，横向传力均匀合理。　　本文的研究成果为新型钢-混组合板梁桥的结构设计提供技术支撑，对预制装配化桥梁结构的推广应用具有重要的理论意义和实际价值。
作者：	黎子童
专业：	建筑与土木工程
导师：	卢志芳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021