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原文传递钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁弯曲力学性能及模型试验研究

论文题名：	钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁弯曲力学性能及模型试验研究
关键词：	钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁;能量变分法;褶皱效应;弯曲力学性能;模型试验;破坏模式
摘要：	钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁桥是一种新型的钢-混组合桥梁结构形式，它是在传统波形钢腹板组合箱梁的基础上用钢底板代替了混凝土底板，具有跨越能力大、工厂化制造和装配式施工等特点，目前已在甘肃省中川机场T2和T3航站楼联络线等多条干线上得到应用，是一种有着广阔应用前景的新型组合桥梁。但由于是新型结构，应用时间较短，目前对该类结构的研究还较欠缺，因此，开展钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文依托甘肃省科技重大专项项目“公路新型钢混组合桥梁建造成套技术研究及产业化(19ZD2GA002)”，采用理论分析、模型试验和数值仿真相结合的方法，对该类组合箱梁的弯曲静动力特性及破坏模式进行了系统研究，研究成果不仅可对钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的工程应用提供理论支持，同时也对该类桥梁的优化设计及进一步改进和完善具有一定的参考价值和借鉴意义。本文主要研究内容和成果如下：　　（1）综合考虑波形钢腹板褶皱效应和剪切变形以及箱梁剪力滞效应的影响，将组合箱梁悬臂板和顶、底板作为两个独立的剪力滞力学体系，对其设立2个不同的剪切转角最大差函数，基于能量变分法推导了组合箱梁弯曲静力学控制微分方程和自然边界条件，得到了相应广义位移的闭合解。制作了波形钢腹板组合箱梁缩尺模型，对模型梁顶、底板剪力滞效应进行了试验研究，并将试验值与理论结果进行了比较，验证了本文闭合解的正确性；分析了剪力滞和褶皱效应对组合箱梁弯曲静力学性能的影响；研究了不同边界条件下组合箱梁剪力滞效应和褶皱效应的演变规律。结果表明，本文闭合解计算的结果与试验值和有限元计算结果吻合良好，竖向荷载作用下简支组合箱梁钢底板应力约为顶板的20倍；边界约束越强，组合箱梁剪力滞和褶皱效应越明显。　　（2）对一跨简支组合箱梁缩尺模型采用对称集中加载的方式开展了弯曲静力全过程试验，获得了模型梁跨中截面应变和挠度随外荷载的变化规律，明确了该类简支组合箱梁的弯曲破坏模式；结合ANSYS有限元软件对试验模型加载全过程进行非线性分析，研究了简支组合箱梁弯曲破坏机理；建立了该类组合箱梁正截面抗弯承载力计算公式；提出了满足协调破坏模式的简支组合箱梁弯曲力学性能改进方法。研究结果表明，该类简支组合箱梁的弯曲破坏模式为钢底板首先屈服，之后塑性不断发展，结构产生竖向大变形，最后顶板混凝土顶面发生压溃破坏；本文建立的组合箱梁正截面承载力计算公式可以为该类桥梁结构的设计提供参考；在该类结构设计中建议应用体外预应力以改善其弯曲力学性能。　　（3）分析了钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的自振特性。以组合箱梁弯曲静力学性能研究理论为基础，考虑剪力滞效应和转动惯量对组合箱梁总动能的影响，运用Hamilton原理和能量变分法建立了组合箱梁弯曲自振频率控制微分方程和自然边界条件，得到相应广义位移的闭合解。利用MATLAB编制了相应边界条件下组合箱梁自振频率的计算程序；通过测试波形钢腹板组合箱梁模型的自振频率和振型，验证了上述闭合解的正确性；分析了褶皱效应、剪切变形和剪力滞效应对组合箱梁自振特性的影响；获得了边界条件、宽跨比、箱梁高度和钢底板厚度等因素对组合箱梁自振特性的影响规律。结果表明，本文闭合解计算结果与有限元计算结果及模型试验值吻合良好，采用换算截面法计算钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的自振特性具有可靠性；与剪力滞效应相比，波形钢腹板的剪切变形对组合箱梁竖向刚度的影响更大。　　（4）以组合箱梁自由振动分析理论为基础，考虑剪力滞效应和转动惯量对组合箱梁总动能的影响，运用Hamilton原理和能量变分法建立了组合箱梁弯曲简谐强迫振动控制微分方程和自然边界条件，得到相应广义位移的闭合解，结合ANSYS有限元软件研究了剪力滞效应和剪切变形对组合箱梁翼板动应力及动挠度的影响。结果表明，考虑剪力滞效应的组合箱梁翼板动应力与有限元数值解吻合更好，在简谐集中力作用下，组合箱梁跨中横截面上各点的动应力幅值分布特点与其静力分析结果类似；剪力滞效应对组合箱梁翼板动应力幅值的影响随宽跨比的增大而变大。
作者：	张紫辰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王根会
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022