论文部分内容阅读
装配化和组合结构可谓世界桥梁发展的其中两大趋势,本文依托导师主持的交通运输部应用基础研究项目“特大跨钢桁-混凝土组合连续刚构桥建设基础理论研究”(2013 319 814 040),探索了无需现浇混凝土施工的全装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥(Prefabricated Steel Truss-Concrete Composite Continuous Rigid Frame Bridge,简称“PSTC连续刚构桥”),对负弯矩作用下钢桁-混凝土组合的具体构造、结构性能和计算方法开展了系统的试验研究和理论分析,主要研究工作如下:1.针对混凝土连续刚构桥存在后期开裂和自重较大的问题,探索了在钢桁梁上依次安装预制混凝土桥道板-穿束张拉纵向预应力接整-实施桥道板与钢桁梁的联结,形成全装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥;研究了PSTC连续刚构桥的总体布置和关键构造,初步构建其施工程序和方法;为连续刚构桥向更大跨径、更好质量、更高效率、更加环保建造发展提供了可行途径。2.完善了在预制混凝土(PC)桥道板肋的两侧预埋剪力传递钢板(S)与钢梁(S)顶面施焊联结形成装配式组合梁的PCSS剪力联结构造,开展了24个PCSS小试件和2个PCSS大构件的推出试验,研究了PCSS剪力连接件剪力传递机制;基于装配式组合梁的参数化分析,揭示了板缝开裂后因结构非连续性影响下剪力-滑移分布特征;构建了基于粘结-滑移理论及间断裂缝特征的PCSS剪力连接件全过程滑移及荷载分配计算方法。3.设计制作了三种预应力度、剪力钉水平和竖向两种设置方式的3根装配式钢桁-混凝土组合试验梁,开展了两点加载负弯矩作用下的受载性能试验研究,考察了在不同上限荷载静力循环荷载作用下PSTC梁的弹性恢复能力、开裂荷载、裂缝发生发展情况,全程测试了关键点应变、位移和钢桁梁与混凝土结合部位的滑移,分析比较了预应力度及预制混凝土板接缝对开裂荷载和裂缝宽度的影响,研究了PSTC梁中PCSS剪力连接件的荷载-滑移规律,比较了栓钉设置方向对荷载-滑移特性的影响,试验论证了PSTC梁施工制作的可行性和受载性能的可控性及可设计性。4.剖析了PSTC梁从建造至开裂极限状态中钢桁梁和混凝土顶板的应变历程,构建了计入滑移影响的PSTC组合梁开裂极限状态截面应变计算图式,推导出两点加载条件下计入滑移影响的PSTC组合梁的开裂弯矩计算公式;分析了PSTC梁在各受载阶段的裂缝发展特征,研究了混凝土顶板裂缝对组合梁中性轴和曲率变化的影响,建立了综合考虑板间及板内裂缝影响的PSTC梁混凝土板裂缝宽度计算公式;分析了PSTC梁在负弯矩作用下的三种主要破坏形态,依据内力平衡条件建立了相应的极限承载力计算公式;针对剪力连接不足情况,探讨了考虑PCSS剪力连接件滑移影响极限承载力计算方法。5.基于ABAQUS有限元程序,探索了PSTC梁精细化有限元建模方法,据此模拟分析了PSTC1试验梁建造施工和加载至破坏的全过程力学行为,并引入混凝土损伤本构有效模拟了PSTC梁板内裂缝和板间裂缝的发生发展过程;针对大跨PSTC组合连续刚构桥的仿真分析,探讨了基于MIDAS-Pushover相对简化的全过程非线性建模方法,据此对PSTC2试验梁进行了非线性全过程力学行为分析,模拟了组合梁的建造施工和加载至破坏全过程力学行为,分析结果与试验结果符合性较好。6.针对广佛肇高速公路青岐涌大桥开展了全装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥设计研究工作,利用本文提出的建模方法对该桥的建造施工及使用至破坏全过程进行了仿真分析;依据本文提出抗裂弯矩、裂缝宽度、承载能力计算公式对该桥在正常和超载使用下抵抗墩顶负弯矩的能力进行了验算;研究完善了桥梁关键构造细节;提出并论证了主要施工程序及其合理性;实践表明从开始吊装钢桁梁至全桥主体结构完成仅用25天即建成了长152 m、宽16.8 m的连续刚构主桥,充分体现了“全装配式”高效率的优势。