变截面CSW-UHPC组合箱梁剪力滞理论与试验研究

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普通混凝土箱梁结构不仅强度低,腹板开裂问题严重,自重大,在大跨桥梁中下挠严重,因此提出了波形钢腹板组合箱梁,即采用波纹钢板替代原来的混凝土腹板。波形钢腹板组合桥梁的顶、底板抗弯,腹板抗剪,是一种充分考虑材料受力性能的钢混组合结构,能够彻底避免腹板开裂,且由于其具有独特的“手风琴”效应,与传统混凝土结构相比能够有效提升预应力效率,增大桥梁的跨越能力。但是,由于支点负弯矩区、跨中正弯矩区依然还是采用普通混凝土,因此依旧存在开裂风险。UHPC具有超高强度、超高密实度、超低孔隙率的力学特性,能够显著降低结构自重,使得结构更满足新型、轻型的要求。为了进一步优化波形钢腹板组合结构,增强其抗裂能力,且进一步减轻结构自重,本文提出了一种新型大跨径组合桥:变截面波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥。该结构采用UHPC材料替代了常规波形钢腹板组合箱梁的普通混凝土顶、底板,有效解决连续梁桥墩顶、跨中底板受拉混凝土开裂问题。这种新型结构形成了一种新的薄壁结构,而薄壁结构的力学性能特别是剪力滞效应一直是箱梁桥设计与施工时必须面临的一个力学问题。比拟杆法是一种分析箱梁剪力滞效应的常用方法,但是用比拟杆法来分析变截面箱梁剪力滞效应的研究很少。比拟杆法的思想中已经假定了顶、底板抗弯,腹板抗剪,这与波形钢腹板组合结构的受力特点完全一致,因此本文拟采用比拟杆法对变截面波形钢腹板-UHPC组合箱梁的剪力滞效应展开研究。本文主要内容如下:(1)第1章系统回顾了波形钢腹板桥梁的发展历程,对剪力滞效应的有关理论及有关研究进行了综述;基于研究现状,拟定了本文的研究思路。(2)第2章设计了一根大相似比的变截面波形钢腹板-UHPC组合箱梁,介绍了设计思路、制作过程以及6个加载工况,并对结构进行了简要的验算;建立了与模型梁等比例的ABAQUS精细化三维空间有限元模型,给出了有限元模型的正应力计算云图,用于指导和验证模型梁的加载试验。(3)第3章系统推导了变截面九杆比拟法的理论方法,提出了相应的分析流程,弥补了传统比拟杆法只能分析等截面箱梁的不足。(4)第4章完成了6种不同工况下的加载试验,并且根据第3章推导的变截面比拟杆法计算了对应工况下的截面应力,验证了该方法的可行性;对模型梁、有限元计算结果、比拟杆理论计算的结果进行了系统的总结,获得了模型梁在各工况下截面沿横向的应力分布情况,获得了其剪力滞系数沿梁纵向的分布规律;提出了一种计算集中荷载作用下剪力滞效应纵向影响区长度的方法;分析了负剪力滞效应出现的区域。结果表明:加载截面顶板的剪力滞系数大于1.3;边界条件、荷载形式对剪力滞效应有影响;在纵向影响区内和根部变化较大的地方会出现负剪力滞效应;在纵向影响区以内,剪力滞效应会出现两次正负交替,而在纵向影响区之外,不论剪力滞效应的正负,留出平均应力的10%作为应力储备可以保证结构的安全;超静定结构与静定结构相比,纵向影响区更长;根据试验结果提出了一些设计建议等。(5)第5章对本文的内容及结论进行了总结归纳,并展望了未来对于本文内容的研究。
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