连续刚构桥新型梁体结构设计及其力学性能研究

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近年来,预应力混凝土连续刚构桥在国内广泛应用,但由于径向力的存在,底板开裂和跨中下挠等病害久未解决。工程师采用了许多方法,都未消除径向力的作用。近年来,一种新型梁体的概念被提出,其核心是将跨中底板预应力钢束由曲线布置变成水平布置,从而改变了跨中底板的外形结构。此种方法理论上消除了跨中预应力束产生的径向力,能够优化连续刚构桥的下挠问题。本文通过MIDAS CIVIL数值模拟的方法,深入讨论了此种新型梁体在跨中水平段长度、高度取值问题,以及它们与中跨跨径之间的关系。主要完成了以下工作:首先,在国内外传统曲线和新型水平梁体发展现状的基础上,重点分析了连续刚构桥梁跨中下挠、承载力低的原因。通过理论分析,得出传统曲线底板的结构在底板预应力钢束张拉时,会产生径向力,此力会造成桥梁整体性能下降。并通过计算,得出传统曲线结构不同跨径下径向力的大小及其变化趋势,若将计算出的径向力加载在相应的新型水平底板结构中,能模拟出曲线底板结构的受力情形。其次,通过有限元软件建立三组不同跨径(120m、150m、180m)的连续刚构桥,在传统曲线布置和水平布置(即加载和卸载径向力)的情况下,分析其中跨位移和承载能力的变化,得出新型梁体的跨下挠及应力状况均优于传统曲线底板的连续刚构桥。因此在不同跨径的连续钢构桥中,均应消除径向力的作用,且选择150m计算跨径的新型梁体性能最优。接着,以某大桥工程实例为依托,探讨了连续刚构桥新型梁体的结构尺寸设计。在计算跨径为150m的基础上,通过MIDAS CIVIL,建立中跨不同水平段长度(29m、38m、47m)和不同水平段高度(3.5m、4.5m、5.5m)的模型进行对比,分析桥梁中跨后期竖向位移、剪力、弯矩以及应力组合等参数的变化,得到该桥合理跨中水平底板长度应取38m,梁高取4.5m,并提出合理水平段长度与中跨计算跨径比宜取1:5到1:3.5之间,水平段高度与中跨计算跨径比宜取1:40到1:30之间。最后,讨论了新型梁体底板预应力钢束施工工艺的问题和底板钢束水平布置的注意事项。并展望了这种结构在桥梁工程中的实际运用价值。
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