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原文传递变截面钢桁腹-混凝土组合梁扭转性能研究

论文题名：	变截面钢桁腹-混凝土组合梁扭转性能研究
关键词：	变截面钢桁腹-混凝土组合梁桥;扭转性能;应力分析;有限元模型
摘要：	钢桁腹-混凝土组合梁桥是将传统混凝土腹板替换为钢桁腹杆的一种新型组合结构桥梁。目前国内外学者对该结构的等截面梁进行了诸多研究，主要集中在节点的构造形式、节点的受力性能以及全桥的承载力研究等方面，但鲜有文献对于变截面钢桁腹-混凝土组合梁扭转性能进行研究。本文基于薄壁箱梁理论，从等截面到变截面对钢桁腹-混凝土组合梁桥的扭转性能展开研究，主要研究工作及有关结论如下。　　（1）根据竖向抗剪刚度相等原则，将钢桁腹杆等效为连续的薄钢板。基于薄壁箱梁扭转理论，选取底板中心点和悬臂板端点为起算点，设定计算顺序，计算了主扇性坐标、主扇性静矩等几何特征参数，为计算扭转应力奠定了基础。　　（2）基于乌曼斯基第二理论，利用等效换算截面，推导了钢桁腹-混凝土组合梁的约束扭转正应力和剪应力的实用计算公式。根据内力平衡条件，建立了约束扭转微分方程，并采用初参数法求解了等截面梁的微分方程；采用差分法求解了变截面梁的微分方程，得出扭转双力矩、弯扭力矩等参数的表达式。　　（3）选取等截面及变截面钢桁腹-混凝土组合梁实例进行分析，研究表明：等截面和变截面钢桁腹-混凝土组合梁扭转应力在横断面上的分布规律相似，得出扭转翘曲正应力主要由混凝土顶板和底板承担。扭转剪应力主要由钢腹杆承担，其次为混凝土底板，而顶板和悬臂板上的剪应力值较小，悬臂板端部的剪应力值为零。基于ANSYS软件，建立了等截面及变截面钢桁腹-混凝土组合梁实体有限元模型。将理论计算结果与有限元结果作对比，结果表明：理论公式的应力变化规律与有限元结果基本吻合。　　（4）对比分析了在相同工况下等截面与变截面钢桁腹-混凝土组合梁的扭转性能。结果表明：等截面及变截面组合梁的扭转翘曲正应力最大基本占到弯曲正应力值的25.61%和23.60%，远大于传统混凝土箱梁的应力值。因此，在实际工程中对该结构扭转翘曲应力的计算应予以高度重视。　　（5）通过参数分析，改变梁高、梁宽和腹杆截面尺寸等，研究不同高宽比、宽跨比、悬翼比以及腹杆内壁厚度对变截面钢桁腹-混凝土组合梁扭转翘曲正应力和扭转剪应力的变化规律的影响。研究表明：随着高宽比的增大，约束扭转正应力和剪应力均在不断减小；当高宽比为1.6时，能有效提升组合梁桥的抗扭性能。随宽跨比的增大，顶板上的翘曲正应力和剪应力均在不断增大，故在工程中不宜设计为宽梁结构。随悬翼比的增大，对翘曲正应力和底板上的扭转剪应力无明显影响，能明显减小顶板上的扭转剪应力。当钢腹杆的内壁厚度与截面边长之间的比值为0.2时，既能有效提高组合梁桥的抗扭性能，又能保证材料的经济性。　　通过本文研究，为该类组合梁桥的设计与施工提供了参考依据，具有具有理论意义和工程应用价值。
作者：	石国庆
专业：	建筑与土木工程
导师：	丁南宏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022