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原文传递特大跨轨道连续刚构桥钢——混凝土结合段静力与疲劳性能研究

论文题名：	特大跨轨道连续刚构桥钢——混凝土结合段静力与疲劳性能研究
关键词：	连续刚构桥;钢-混凝土结合段;静力性能;疲劳性能
摘要：	钢-混凝土混合连续刚构桥通过在主跨跨中设置钢结构段，可避免大跨连续刚构桥存在的跨中长期下挠、腹板开裂等问题，增大了连续刚构桥的合理跨径范围，具有广阔的应用前景。钢-混凝土结合段是该类桥型的核心构件，其连接性能直接影响结构整体受力和长期性能。特大跨钢-混凝土混合结构轨道连续刚构桥中，钢-混凝土结合段具有刚度突变、构造复杂等特点，再加上轨道桥承受动载作用占比大，对结合段静力和疲劳性能提出了更加严苛的要求。因此，研究特大跨轨道连续刚构桥钢-混结合段疲劳损伤行为、静力传力机制及承载力安全储备，对于指导该类桥梁结构设计、确保桥梁健康安全服役具有重大意义。本文在国家杰出青年科学基金“桥梁监测与加固（51425801）”资助下，以世界最大跨轨道连续刚构大桥——重庆嘉华轨道桥为依托，针对大跨轨道连续刚构桥钢-混凝土结合段静力与疲劳性能开展理论和试验研究，探究了结合段在设计疲劳荷载及超载疲劳荷载作用下的性能演化，明确了结合段在极限状态下的力学行为与破坏机制，研究了剪力连接件、钢梁端面承压及承压板三类传力机制、应力分配规律和承载力计算方法，量化评估了在各种损伤状态下结合段的安全储备。　　主要的研究工作及结论如下：　　（1）开展了钢-混凝土结合段数值模型的多尺度分析，明确了结合段最不利受力状态，并基于应力集中状态判定高疲劳损伤风险区。研究表明：结合段区域大部分钢结构应力均处于较低水平，钢梁过渡段区域加劲肋截面突变处以及钢板与承压板接触的位置则出现显著应力集中，存在相对较高的疲劳损伤风险。结合段中各构件不同刚度下的界面受力分配规律分析表明：结合段整体受力分布特征为中间大两边小，结合段界面刚度的增大可以减小最大滑移值，结合段长度的增大对最大滑移值的影响较小。此外，端面钢梁和承压板的传力作用进一步限制了钢结构与混凝土之间的相对滑移。　　（2）开展了嘉华嘉陵江轨道专用桥钢-混凝土结合段疲劳模型试验，进行了200万次设计疲劳荷载作用下的验证试验，以及50万次1.5倍和50万次2.0倍设计疲劳荷载作用下的超载试验。试验结果表明，设计及超载疲劳荷载作用后结构的力学性能衰减轻微，结合段在整个加载过程中处于弹性工作状态，未发现疲劳裂纹，说明结合段部分具有较高的抗疲劳安全储备。对各个关键位置进行了热点应力分析，加劲肋截面突变处、顶板开孔钢板上部焊趾处的热点应力较高，是初期设计和后期监测的重点关注区域。　　（3）针对钢-混凝土结合段在不同静力循环荷载工况下的力学行为开展了模型试验和数值分析。结果表明：设计荷载循环作用下，每次加载应力-荷载曲线成线性关系且基本重合，各测点应力最大变化不超过4.8%，循环过程中结合段的刚度几乎没有衰减；极限荷载循环作用下，前5次极限荷载循环作用下，每次界面刚度退化比不超过7.2%，最大滑移量不超过0.11mm；第6次循环时出现较为显著的衰减，但最大滑移量也仅为0.15mm，结合段整体表现出较强的破坏韧性。　　（4）针对结合段中剪力连接件、钢梁端面承压及承压板传力机制，开展了4组12个模型试验。试验结果表明：钢梁端面承压试件最大滑移量均超过10mm，呈现延性破坏特征，换算至钢梁端面极限平均压应力可以达52.9MPa，传力效果显著；单个PBL连接件的极限承载力平均值为87.5kN，且均为延性破坏，具有较好的传力效果；承压板作用组极限承载力均值超过3500kN，且破坏形式呈现一定的延性特征，承压板作用对结合段荷载传递的贡献最为显著。　　（5）提出了剪力连接件、钢梁端面承压及承压板三类传力途径的承载力计算方法。建立结合段简化计算模型，提出了考虑滑移滞后现象的结合段承载力计算方法。基于结构安全冗余度理论，考虑结合段三大传力途径，构建了钢-混凝土结合段承载力冗余度评估模型，分析表明：当前结合段设计具有极高的承载力冗余度，在部分构件显著损伤的情况下依然能保证钢-混凝土的可靠连接。
作者：	陈军
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	周建庭
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022