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原文传递钢箱-混凝土组合拱截面受力行为与设计原理研究

论文题名：	钢箱-混凝土组合拱截面受力行为与设计原理研究
关键词：	拱桥;压弯构件;钢砼组合结构;剪力联结;本构关系;延性能力
摘要：	针对砼拱桥施工风险大、风险期长等主要弱点，本文提出“竖转钢箱-砼组合拱桥”的构想，得到国家自然科学基金项目(51078373)“钢箱一砼组合拱结构性能与分析方法研究”，和西部交通建设科技项目(200631881448)“钢-砼组合拱桥竖转设计与施工关键技术研究”的资助，对钢箱-砼组合拱的具体构造、结构性能及计算方法展开了较系统的试验研究和理论分析，主要研究内容和结论如下：　　1.分析了常规砼拱桥的优势及其局限性，提出根据无铰拱不同区段的受力需要选用与相应区段受力相适应的组合截面的钢箱-砼组合拱桥，完善了其主拱结构的具体构造，分析表明钢箱-砼组合拱桥在保持常规砼拱桥的主要优势的条件下，显著降低了拱桥的施工风险，增强了拱桥使用过程中抗震、抗冲击和延性能力。　　2.针对正弯矩和轴力作用下的压弯构件，提出在钢箱项板上浇注砼的组合截面构造，能够较好抵抗截面上的偏心压力和不利荷载组合下截面下缘产生的拉应力；构造了穿过钢箱顶板开孔加劲肋的箍筋与纵筋构成的钢筋骨架使现浇砼部分与钢箱形成整体的PBH剪力联结构造，在无需专门剪力联结构材料和不明显增加施工麻烦的条件下，能够更好地确保钢箱与砼剪力联结可靠性。　　3.开展了多组PBH剪力联结构造和一组传统PBL剪力联结构造的抗剪性能试验研究，结果表明PBH的抗剪刚度和承载能力优于PBL；分析发现PBH主要有三种破坏模式，研究提出避免开孔加劲肋板屈曲破坏和焊接破坏的构造要求判别公式；结合精细有限元分析，建立了PBH剪力联结构造的荷载-滑移本构模型，并通过参数分析，建立了PBH抗剪强度半理论半经验计算公式。　　4.开展了钢箱-砼组合压弯构件受载性能试验研究，对纯弯、偏压、轴压等情况下的钢箱-砼组合构件受力过程、破坏模式及承载力等进行了全面研究。依据试验结果，受弯构件和大偏压构件的受力全过程可以分为三个阶段：弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段。　　5.针对钢箱-砼组合压弯构件的构造及受载破坏特点，研究提出大偏心受压破坏(塑性破坏)与小偏心受压破坏(脆性破坏)的破坏特征及判别方法，并从理论上推导了钢箱-砼组合压弯构件发生两种破坏的判据公式。　　6.针对钢箱-砼组合构件中砼的约束特点，根据钢箱顶板及加劲肋、钢筋骨架内外砼的不同约束效应，将其分成强约束区、弱约束区和无约束区三个部分，分析了各区域砼受约束的特点，依据非均匀材料的直接均匀化理论，建立了钢箱-砼组合构件中的约束混凝土单一介质匀质化本构模型，并结合压弯试验实测数据确定了模型参数。　　7.依据钢箱与压区混凝土具有相同的曲率，并分别服从平截面的假定，推导了钢箱-砼组合拱构件中界面滑移与荷载及界面抗剪刚度间的关系式(6-48)～(6-49)式，并以PBH荷载-滑移曲线为基础，采用纤维模型法建立了考虑界面滑移的钢箱-砼组合压弯构件全过程分析方法，并应用Matlab编制了相应的分析程序(SCCA)；与美国专用组合截面分析软件XTRACT计算结果的比较表明，二者的计算结果总体相符，SCCA能够较准确地反映钢箱-砼组合截面全过程受力特性；依据SCCA程序对试验构件分析得到的极限承载能力与实测结果吻合较好；依据SCCA程序对依托工程主拱结构关键截面进行了全过程分析。　　8.利用SCCA对剪力联结构造刚度与钢箱-砼组合构件承载力的关系进行了分析，发现当荷载剪力小于0.5倍PBH剪力联结构造抵抗剪力时，钢箱-砼组合构件承载力的计算可以不考虑钢箱顶板与其上砼间界而滑移的影响；反之，可根据本文编制的SCCA程序计算其承载能力。　　9.结合试验资料和理论分析，推导了钢箱-砼组合构件的纯弯、轴压、轴拉承载能力的计算公式，并将钢箱-砼组合压弯构件承载能力M-N关系曲线简化为通过纯弯、轴压、轴拉承载能力点的三折线关系，据此建立了简化的钢箱-砼组合压弯构件M-N承载能力计算方法，并对依托工程主拱结构进行了验算。
作者：	范亮
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	周志祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文