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原文传递斜拉桥工字钢-部分UHPC桥面板组合梁结构性能及构造优化研究

论文题名：	斜拉桥工字钢-部分UHPC桥面板组合梁结构性能及构造优化研究
关键词：	斜拉桥;组合梁;工字钢;部分超高性能混凝土面板;力学性能;构造优化
摘要：	工字钢混组合梁作为目前大跨径斜拉桥的一种重要结构，具有自重轻、稳定性强、耐久性强、施工周期短和线形美观等优点，在斜拉桥建造中应用愈发广泛。本世纪超高性能混凝土（UHPC）材料的研究取得巨大突破，逐渐应用于工字钢混组合梁的建造中，而学者主要聚焦于正交异性钢桥面板－UHPC组合梁，对于斜拉桥工字钢-部分UHPC桥面板构件却少有研究。本文依托交通运输部三峡库区奉建高速公路安全智能建造科技示范工程，研究了斜拉桥工字钢-部分UHPC桥面板组合梁力学性能及细部构造，建立了基于部分UHPC桥面板的应力计算模型，并对预制板和湿接缝的参数进行优化。主要研究内容与结论如下：　　（1）总结分析了斜拉桥工字钢-部分UHPC桥面板的构造，将工字钢-部分UHPC桥面板组合梁结构按主要构件（工字钢、横向联结系和桥面板）和主要连接（钢结构连接、预制板连接和钢混连接）进行了分类，梳理各种构造的特点和适用范围，对结构参数取值的相关规定进行了总结归纳。　　（2）分析比较在标准值组合作用下采用全UHPC、部分UHPC和普通混凝土（NC）桥面板的工字钢混组合梁的力学性能，探讨并论证了工字钢-部分UHPC桥面板组合梁应用于斜拉桥的适用性。　　结果：表明部分UHPC桥面板不影响全桥受力变形规律，UHPC的引入对湿接缝处的受力有显著改进，能够充分发挥钢、普通混凝土预制板、UHPC湿接缝的力学性能。　　（3）通过有限元数值模拟的分析方法，在全桥模型基础上建立了主梁节段仿真模型，对比分析在设计荷载和15种局部车辆荷载作用下，工字钢-部分UHPC桥面板组合梁的力学性能。　　结果：表明桥面板上缘纵向压应力总体呈现中间大两边小的趋势，下缘则呈现中间小两边大的趋势，且主塔处桥面板压应力最大，最大值为-20.68MPa。桥面板上缘最大横向拉应力点均位于偏载侧工字钢纵梁上桥面板处，仅有中跨1/2节段在车辆作用处桥面板下缘出现明显受拉现象。　　（4）在节段模型基础上选取横梁、纵梁处湿接缝为研究对象，建立局部空间仿真模型，研究在设计荷载和最不利车辆荷载作用下的力学性能。　　结果表明：随着距工字钢上翼缘距离的增加，湿接缝UHPC的纵向压应力逐渐增大，最大纵向压应力为-90.79MPa出现在剪力钉根部和钉帽处。在纵向切面上，距剪力钉10mm以外的UHPC纵向压应力随距工字钢上翼缘距离的增加而先增后减；UHPC的损伤主要分布于剪力钉周围，在距剪力钉9mm内，靠近剪力钉根部和钉帽处的UHPC损伤较大，中间段损伤较小，损伤因子不超过0.257，在距剪力钉9mm外，损伤随着距工字钢上翼缘距离的增加而逐渐减小。湿接缝处剪力钉在设计荷载作用下根部受到较大剪应力，随着高度的增加剪力钉承受剪应力逐渐减小，纵梁处横向中部的剪力钉承受较小的剪应力，随着向两边的距离增加，剪力钉的横向剪切力逐渐增大。　　（5）为有效减小预制板的纵向压应力，以主塔处主梁节段模型为研究对象，从桥面板强度和厚度优化入手对其力学性能进行提升，认为依托工程桥面预制板强度选取C60，厚度取27cm为最佳方案。为有效改善UHPC湿接缝处受力，在局部模型基础上以UHPC应力、损伤和剪力钉应力为指标，在桥梁使用状态下针对剪力钉的尺寸和密度展开优化研究，综合考虑各项湿接缝力学性能，得出在桥梁使用过程中剪力钉直径20mm、长度200mm、纵横向间距为175mm为最佳方案，其中剪力钉直径的变化对湿接缝力学性能影响较大。　　（6）在NC组合梁桥面板应力理论计算公式基础上，提出了改进的部分UHPC桥面板应力计算模型，并通过数值模拟的方法进行验证，部分UHPC应力计算模型的计算结果误差小于5.43%。
作者：	姜鹏
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	姚国文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022