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钢-混组合梁有承载力高、抗震性能好、方便施工、缩短工期、节省材料且便于安装管线等优点。但在使用过程中,连续钢混组合梁在负弯矩区会产生混凝土受拉、钢梁受压的不利情况,造成混凝土开裂,导致组合梁刚度降低和耐久性下降。在钢-混组合梁桥设计中,如何预防负弯矩区的混凝土板开裂已成为关键问题。目前一种抗拔不抗滑连接件已经在钢-混凝土组合连续梁桥中得到应用,其通过释放混凝土板与钢箱梁之间的纵向约束,即增大截面滑移效应的方式来提高负弯矩区混凝土桥面板的预应力施加效率,从而提高负弯矩区桥面板的抗裂性。本文依托长深高速公路高广段的小清河一号主桥为工程背景,研究了抗拔不抗滑连接件的应用对组合连续梁的结构刚度、变形、应力的影响作用机理以及其对承载力的影响程度。本文的主要工作和研究成果如下:
(1)论文建立使用抗拔不抗滑连接件的钢-混组合连续梁实体有限元模型,并通过实桥监控数据论证该有限元模型的正确性,在此基础上完善实体有限元模型。在原始模型基础上修改连接件形式,建立使用传统栓钉的钢-混组合连续梁桥实体有限元模型。依据上述两个模型,论文比较了剪力连接件类型与结构受力基本特性之间的相互关系,以进一步明晰连接件类型对结构受力特性的影响规律,并论证了采用抗拔不抗滑连接件来有效提高负弯矩区混凝土桥面板的预应力施加效率是可行的。
(2)为理解抗拔不抗滑连接件利用截面滑移效应提高负弯矩区预应力施加效率的作用机理,论文以更大的视角研究了部分连接剪力件的抗剪刚度变化与整体结构的力学特性相关性。为此论文设置了抗剪刚度的连续变化,来反映界面滑移效应的变化过程对桥梁受力性能的影响规律。有限元计算结果表明,抗拔不抗滑连接件基于明显的界面滑移效应能有效改善预应力的施加效果,提高负弯矩区混凝土的压应力储备和结构抗裂性,但其也会削弱结构的整体刚度与承载能力,增大结构竖向变形。
(3)对抗剪刚度变化后结构反映的研究表明,负弯矩区部分连接形式的连接件抗剪刚度在占比传统栓钉连接件抗剪刚度0~20%区间变化时对组合结构应力、变形及相对滑移影响较大。因此,若考虑设计部分剪力连接件来降低抗剪刚度的话,也能够在一定范围内达到与抗拔不抗滑连接件的类似效果,设计时宜将连接件抗剪刚度控制在20%以下,否则效果会不明显。
(4)为反映抗拔不抗滑连接件对连续梁基本受力特性的影响规律,论文选取桥面板混凝土强度、桥梁主跨跨径、连接件纵向排列密度对、连接件横向排列密度、抗拔不抗滑连接件的布置范围、腹板高度等参数进行敏感性分析。研究结果表明,对于使用抗拔不抗滑连接件的组合连续梁,改变组合连续梁截面内混凝土部分与钢箱部分惯性矩之比、改变负弯矩区连接件密度对负弯矩区应力分布没有影响;主梁跨径以及抗拔不抗滑连接件布置范围是影响连接件作用效果的主要因素。
(1)论文建立使用抗拔不抗滑连接件的钢-混组合连续梁实体有限元模型,并通过实桥监控数据论证该有限元模型的正确性,在此基础上完善实体有限元模型。在原始模型基础上修改连接件形式,建立使用传统栓钉的钢-混组合连续梁桥实体有限元模型。依据上述两个模型,论文比较了剪力连接件类型与结构受力基本特性之间的相互关系,以进一步明晰连接件类型对结构受力特性的影响规律,并论证了采用抗拔不抗滑连接件来有效提高负弯矩区混凝土桥面板的预应力施加效率是可行的。
(2)为理解抗拔不抗滑连接件利用截面滑移效应提高负弯矩区预应力施加效率的作用机理,论文以更大的视角研究了部分连接剪力件的抗剪刚度变化与整体结构的力学特性相关性。为此论文设置了抗剪刚度的连续变化,来反映界面滑移效应的变化过程对桥梁受力性能的影响规律。有限元计算结果表明,抗拔不抗滑连接件基于明显的界面滑移效应能有效改善预应力的施加效果,提高负弯矩区混凝土的压应力储备和结构抗裂性,但其也会削弱结构的整体刚度与承载能力,增大结构竖向变形。
(3)对抗剪刚度变化后结构反映的研究表明,负弯矩区部分连接形式的连接件抗剪刚度在占比传统栓钉连接件抗剪刚度0~20%区间变化时对组合结构应力、变形及相对滑移影响较大。因此,若考虑设计部分剪力连接件来降低抗剪刚度的话,也能够在一定范围内达到与抗拔不抗滑连接件的类似效果,设计时宜将连接件抗剪刚度控制在20%以下,否则效果会不明显。
(4)为反映抗拔不抗滑连接件对连续梁基本受力特性的影响规律,论文选取桥面板混凝土强度、桥梁主跨跨径、连接件纵向排列密度对、连接件横向排列密度、抗拔不抗滑连接件的布置范围、腹板高度等参数进行敏感性分析。研究结果表明,对于使用抗拔不抗滑连接件的组合连续梁,改变组合连续梁截面内混凝土部分与钢箱部分惯性矩之比、改变负弯矩区连接件密度对负弯矩区应力分布没有影响;主梁跨径以及抗拔不抗滑连接件布置范围是影响连接件作用效果的主要因素。