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原文传递波形钢腹板组合槽型梁桥的力学性能与试验研究

论文题名：	波形钢腹板组合槽型梁桥的力学性能与试验研究
关键词：	波形钢腹板组合槽型梁桥;力学性能;抗弯承载力;剪切变形;等效矩形应力块;偏载系数
摘要：	提出了一种新型桥梁结构——波形钢腹板组合槽型梁。它是一种下承式的钢-混组合梁桥，由混凝土底板、两片波形钢腹板和两片混凝土上翼缘板三个主要部分组成。波形钢腹板组合槽型梁具有建筑高度低，隔音减噪，自重较轻，抗裂性能好，混凝土收缩、徐变效应和温度梯度影响小，施加预应力的效率高等优点。本文结合国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目，主要对新型结构的施工阶段应力，使用阶段的弯曲性能、剪切变形、偏载受力性能和横向内力计算进行理论和试验研究。最终通过对两种工程梁的实例模拟，检验了本项目的研究成果应用于公路桥梁和轨道桥梁的可行性。　　(1)对波形钢腹板组合槽型梁施工阶段和使用阶段的应力进行了分析，完成了基于缩尺试验梁的应力测试和ABAQUS有限元软件的数值模拟。主要分析了钢梁翼缘的预弯应力，混凝土的反弹压应力，混凝土徐变、收缩的应力损失，试验梁的截面应变分布和开裂荷载等。研究表明:钢梁反弹能够有效地对底板混凝土施加预压应力。理论与有限元计算表明:混凝土底板下缘的徐变、收缩应力损失较小。　　(2)为研究波形钢腹板组合槽型梁和工形梁的抗弯承载力与弯曲延性，对5片试验梁进行了静载试验，掌握了其在试验荷载作用下的破坏形态、荷载位移关系、截面应变分布和荷载-应力关系等。试验表明，波形钢腹板组合梁的混凝土极限压应变略小于传统的0.003。基于钢筋和混凝土的本构方程和三角形相似理论，分析了实际矩形应力块的参数k1、k2、k3、k4和k5与等效矩形应力块参数α和β的关系，并分析了中性轴的位置对应力块参数的影响。因此，提出了考虑三种情况的抗弯承载力截面平衡方程。同时，建立了一套波形钢腹板组合槽型梁的曲率延性分析方法，分析了配筋率、截面尺寸、钢筋的屈服应变、混凝土的强度等级等参数对延性的影响。试验和分析结果表明:抗弯承载力和弯曲延性计算方法具有良好的计算精度，可以满足工程计算的要求。　　(3)为准确计算波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度，分析了组合梁的荷载和预应力效应的力学特征，推导了槽型梁截面的剪应力分布规律。基于弹性理论提出了支反力-荷载分段函数计算模式，对槽型梁的剪切应变几何方程进行分段积分，进而建立了计算剪切挠度的通用表达式。该公式适用于计算在任意位置的多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度。通过5片试验梁的静载试验和有限元分析，验证了剪切挠度通用表达式的准确性。理论和试验研究表明:不考虑剪切变形时，5片缩尺试验梁的理论挠度值比实测挠度值偏小20％，因此，在计算波形钢腹板组合槽型梁的挠度和波形钢腹板预弯钢梁的预拱度时，需要考虑剪切变形的影响。　　(4)为了研究波形钢腹板组合槽型梁偏载作用下受力性能，通过试验梁的偏载试验，基于约束扭转理论，忽略波形钢腹板的翘曲应力，并考虑了波形钢腹板的剪切变形对截面约束扭转刚度的削弱，推导了集中扭矩作用下的扭转角公式。提出了偏载弯扭比和位置系数的概念，建立了偏载系数评价方法。研究表明:采用本文建议的扭转角计算公式和修正过的扇性惯性矩计算波形钢腹板组合槽型梁的扭转角，具有良好的精度;偏载系数评价方法能够有效地对比桥梁的偏载受力性能;试验梁的偏载系数比波形钢腹板组合箱梁大10％左右;将波形钢腹板组合槽型梁应用于双车道公路或双线地铁桥梁，偏载系数可分别取值1.15和1。　　(5)分析了截面尺寸和构造对桥面板的横向弯矩折减系数和横梁的跨中弯矩折减系数的影响。基于线性拟合建议了综合考虑跨径比和梁高比的桥面板弯矩折减系数方程，可用于计算波形钢腹板组合槽型梁桥面板的跨中弯矩。同时，也通过曲线拟合，建议了综合考虑主梁-横梁跨径比、横梁宽-主梁跨径比、横梁-底板厚度比的跨中弯矩折减系数方程，可用于计算横梁的跨中弯矩。最后，对不同宽度的波形钢腹板组合槽型梁的剪力滞效应进行分析。研究表明:主梁自重的剪力滞系数最小，车辆荷载作用下的剪力滞系数最大。在主梁自重和二期恒载作用下，四分点截面的剪力滞系数大于跨中截面的剪力滞系数。同时，给出了计算有效分布宽度系数的曲线图，并建议了有效分布宽度的计算方法。
作者：	陈卓异
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	黄侨
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文