波形钢腹板组合曲线箱梁力学性能理论及试验研究

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本文针对波形钢腹板组合曲线箱梁桥的力学性能,主要研究两大内容:一是波形钢腹板组合曲线箱梁的弯曲、扭转和畸变性能;二是曲线箱梁中波形钢腹板的剪切屈曲和抗剪强度。本文采用理论分析、有限元数值计算和模型试验的方法,考虑波形钢腹板的结构特点,对上述内容进行研究。主要的研究工作和成果如下:(1)根据曲线箱梁的平衡方程、内力与位移之间的关系,并考虑波形钢腹板的结构特点和剪切变形,推导了波形钢腹板组合曲线箱梁的弯扭微分方程。结合波形钢腹板的结构特点,采用能量变分法推导了波形钢腹板组合曲线箱梁的畸变微分方程。采用三角级数作为位移函数,利用伽辽金法对弯扭微分方程和畸变微分方程进行求解,给出了有跨内横隔板和无跨内横隔板的简支和连续波形钢腹板组合曲线箱梁任意截面的位移、应力和内力的求解方法。并通过对3根波形钢腹板组合曲线箱梁进行多种荷载工况弹性加载模型试验,对理论方法求解挠度、扭转角、正应力和剪应力的正确性进行了验证。(2)采用理论方法分析了腹板剪切变形对组合曲线箱梁挠度的影响,对比了波形钢腹板组合曲线箱梁与传统混凝土曲线箱梁的力学性能。结果表明:腹板剪切变形引起的挠度增幅较大,不可忽视;外荷载作用下,波形钢腹板组合曲线箱梁的挠度、扭转角、畸变角、弯曲正应力、约束扭转翘曲正应力、畸变翘曲正应力均大于混凝土曲线箱梁的;由约束扭转和畸变引起的翘曲正应力和附加剪应力较大,均不可忽视。(3)将曲线梁中的整个波形钢腹板当作正交各向异性圆柱形扁壳,根据板壳稳定理论,采用双重三角级数作为位移函数,利用伽辽金法进行求解,推导了四边简支、四边固支、与上下翼缘板交界边固支另两边简支边界条件下曲线梁中波形钢腹板的弹性整体剪切屈曲强度计算公式,给出了三种边界条件下曲线梁中波形钢腹板的整体剪切屈曲系数表格。(4)将波形钢腹板的合成剪切屈曲看作是2块相邻子板组成的折板结构的屈曲,根据板壳稳定理论,采用双重三角级数作为位移函数,利用伽辽金法进行求解,推导了波形钢腹板在四边简支边界条件下的弹性合成剪切屈曲强度计算公式,给出了当直板段与斜板段相等时波形钢腹板的合成剪切屈曲系数表格。(5)采用本文推导的整体和合成剪切屈曲强度公式对日本《波形钢腹板预应力桥梁设计手册》中的剪切屈曲长细比λs进行修正,并给出了剪切屈曲长细比λs的建议公式。通过对比文献中102组波形钢腹板剪切屈曲模型试验数据,验证了建议公式的可靠性和适用性。(6)通过对3根波形钢腹板组合曲线箱梁进行偏心荷载破坏加载试验,研究了波形钢腹板组合曲线箱梁在偏心荷载作用下的全过程受力及破坏形态。得到了波形钢腹板组合曲线箱梁的荷载―挠度全过程曲线、顶底板混凝土裂缝分布规律、波形钢腹板的破坏模式、顶底板混凝土主拉应变的变化规律、波形钢腹板剪应变的变化规律、底板纵向钢筋纵向应变的变化规律,为波形钢腹板组合曲线箱梁桥的设计和施工提供参考依据及设计建议。
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