曲线波形钢腹板组合箱梁扭转力学性能研究

发布时间：2020-04-14 17:17

【摘要】：波形钢腹板组合箱梁作为一种新型的结构,具有自重轻、预应力利用率高、造型美观等优点。近年来,已有将波形钢腹板组合箱梁应用到曲线梁桥的案例,但由于波形钢腹板厚度薄,纵向刚度小,故其截面抗弯抗剪刚度、抗扭刚度以及抗畸变刚度均低于普通混凝土箱梁截面,使得波形钢腹板组合箱梁更易产生扭转变形和畸变变形,尤其在曲线梁中,由于曲率的影响,产生弯扭耦合效应,因此曲线波形钢腹板组合箱梁的扭转行为更加显著。本文围绕曲线波形钢腹板组合箱梁的扭转力学性能开展理论研究及分析,取得的主要研究成果如下:(1)基于乌曼斯基第二理论,推导出曲线波形钢腹板组合箱梁约束扭转微分方程,根据波形钢腹板正交异性的特点和曲线箱梁的力学特性,结合边界条件,给出了波形钢腹板组合箱梁约束扭转正应力和约束扭转剪应力的计算方法,并对约束扭转剪应力进行了分析,推导出约束扭转剪应力中包含的自由扭转剪应力和由翘曲正应力沿纵向变化引起的二次剪应力的计算公式。最后应用本文方法分析曲率半径对曲线波形钢腹板组合箱梁扭转性能的影响,并对比其与曲线混凝土箱梁扭转性能的差异。(2)以箱梁理论为基础,根据波形钢腹板组合箱梁的力学特性得到曲线波形钢腹板组合箱梁产生畸变变形时的应变能,通过能量法推导出曲线波形钢腹板组合箱梁的畸变微分方程,得到曲线波形钢腹板组合箱梁发生畸变时畸变角、畸变双力矩和畸变翘曲应力的计算方法。最后应用本文方法分析曲率半径对曲线波形钢腹板组合箱梁畸变性能的影响,并对比其与曲线混凝土箱梁畸变性能的差异。(3)通过符拉索夫方程得到曲线梁在荷载作用下竖向位移和扭转角位移相互耦合的关系,验证了曲线梁弯曲与扭转耦合的受力特点,结合曲线波形钢腹板组合箱梁截面特征,采用汉斯(Heins)和斯贝特思(Spates)给出的闭合解求出曲线箱梁的挠度、转角和内力。分析曲率半径对曲线波形钢腹板组合箱梁弯扭耦合效应的影响,并与曲线混凝土箱梁弯扭耦合效应进行了对比。
【图文】：

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布置使得厚度增加，重量约占梁的10%~30%以上，大大增加了结构本身的自重，制约了它的跨越能力。波形钢腹板组合箱梁桥是一种采用波形钢板做腹板，顶底板仍然采用混凝土，并施加内外预应力的新型组合结构，如图1.1所示。波形钢腹板组合箱梁桥具有以下优点[1-7]：（1）有效降低结构的自重，增强结构的受力性能。（2）促进两种不同材料发挥其优势，有效提高材料的利用效率。（3）有助于结构的快速施工。（4）减轻桥梁维修加固工作，便于更换预应力筋。（5）增强了结构的跨越能力。（6）造型轻盈美观。图1.1 波形钢腹板组合箱梁桥基本构造cognac（图1.2a）桥是世界上首次将波形钢腹板用于桥梁工程中的典型桥梁（1986年建成），接着法国于1987年建造了Mapure高架桥（图1.2b）。此后，波形钢腹板组合箱梁开始应用于部分欧洲和日本等国家。图1.2（c）所示为日本本谷桥，此桥采用全体外预应力技术以改善结构性能，同时也是日本首次对全体外预应力技术的尝试。与传统预应力筋相比

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长安大学硕士学位论文上，桥梁共两跨，采用 80m+80m 的跨径布置。将波形钢腹板与混凝土结构相结合，形成波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥。桥梁顶部宽度为 9m，，底部宽度为 5m。波形钢腹板段每周期波长 1.6m，波高 0.22m。腹板的水平折角为 30.7°，采用钢板的厚度为10~20mm[10]。虽然中国现已开始建造曲线波形钢腹板组合箱梁桥，但其数量占桥梁总数的比例仍非常的低，且对于波形钢腹板与曲线梁的耦合作用等力学研究尚未深入，波形钢腹板组合箱梁在曲线梁桥的推广和应用上仍具有广阔的空间。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U441

【参考文献】