大跨波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板及内衬混凝土抗剪性能研究

发布时间：2020-07-13 19:01

【摘要】：预应力混凝土波形钢腹板钢-混组合箱梁桥由于其具有结构轻盈、外形美观、受力合理、抗震性能好、工程造价经济、绿色环保等优点,成为近几年我国大力推广及应用的新型桥梁结构形式。但是与传统混凝土连续梁(刚构)桥相比,目前波形钢腹板连续梁(刚构)桥跨径仍处于较小水平,究其原因主要由于目前相关规范只是偏保守地认为波形钢腹板承担箱梁全部剪力,理论及试验研究主要以基于小跨径等截面波形钢腹板抗剪强度为主,大跨波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板及内衬混凝土抗剪机理及设计方法仍需完善,这些问题已严重制约了波形钢腹板箱梁桥向更大跨径发展。因此,在目前我国大力推广该类桥型,但仍有一些问题没有很好解决或有待于进一步研究的情况下,开展相关研究,提出适用于大跨波形钢腹板箱梁桥设计计算的波形钢腹板及内衬混凝土抗剪设计方法,为工程设计提供借鉴,具有重要意义及工程应用价值。本文结合依托工程,开展了大跨波形钢腹板箱梁桥变截面波形钢腹板及内衬混凝土钢-混组合腹板抗剪性能缩尺模型试验,从宏观层面上总结了波形钢腹板及内衬混凝土变形破坏过程,及不同内衬混凝土设计参数(内衬混凝土厚度、栓钉密度、钢筋配筋率)对抗剪影响及作用,在此基础上研究了大跨变截面波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板及内衬混凝土钢-混组合腹板抗剪性能,提出了内衬混凝弹塑性阶段抗剪机理及承载能力计算方法,分析了变截面波形钢腹板及内衬混凝土构造参数屈曲敏感性,建立了内衬混凝土钢-混组合箱室抗剪计算方法及验算流程。具体研究内容如下:(1)通过变截面波形钢板及内衬混凝土腹板抗剪性能缩尺模型试验,对比分析了 8种不同设计参数条件下波形钢腹板及内衬混凝土钢-混组合腹板的抗剪强度和变形特性,从宏观层面上得到了变截面波形钢腹板及内衬混凝土腹板变形破坏过程及规律,为后续理论分析提供了重要依据。(2)采用能量法中的伽辽金法和瑞利-里兹法分别推导了波形钢腹板弹性局部剪切屈曲强度和整体剪切屈曲强度计算公式,讨论了不同屈服形态波形钢腹板构造参数控制因素;提出了考虑钢筋作用的内衬混凝土弹塑性阶段抗剪破坏机理—“拱桁架”模型及相应抗剪承载能力计算方法,建立了波形钢板-内衬混凝土组合腹板弹塑性阶段剪力承担比例计算公式。(3)基于有限元法及ABAQUS大型有限元程序,研究了考虑栓钉及钢混接触关系的钢-混组合腹板有限元数值模型建立方法,通过室内试验和数值模拟数据结果的对比分析,验证了本文提出的数值模型的有效性;在大量工程实例基础上,总结了目前常用的波纹型号、钢板厚度、变截面高度、内衬混凝土厚度等构造参数,采用数值模型分析了不同构造参数对大型波形钢腹板屈曲敏感性影响,提出了波形钢腹板及内衬混凝土构造参数最优设计范围。(4)采用解析法推导了变截面波形钢腹板-内衬混凝土钢-混组合箱室剪应力计算一般公式,及用底板厚度变化率dt/dx = tanβ和梁高变化率dh/dx = tanβ'来表达的顶、底板及内衬混凝土钢-混组合腹板剪应力计算公式;针对目前规范尚未考虑内衬混凝土及顶底板抗剪的不足,提出了大跨内衬混凝土钢-混组合箱室抗剪验算流程。(5)在前述理论研究基础上,以港珠澳大桥珠海连接线工程前山河特大桥为背景,采用抗剪设计理论公式计算了大跨波形钢腹板钢混组合箱室抗剪承载能力,对背景桥梁波形钢腹板钢-混组合箱室腹板剪应力及容许范围进行了对比分析。论文研究成果可为大跨波形钢腹板箱梁桥波形钢腹板及内衬混凝土抗剪设计提供重要参考。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441
【图文】：

波形钢腹板,剪切屈曲,形式

梁根部剪力较大、截面梁高相应较高，为了能够提高变截面箱梁根部波形钢腹板抗屈曲及逡逑剪力传递给下部结构能力，此时一般在钢腹板内侧浇筑混凝土形成波形钢腹板－内衬混凝逡逑土组合箱室（如图Ｌ６、如图１．７），由此为大跨波形钢腹板箱梁桥抗剪设计带来新的问题，逡逑具体如下：逡逑（１）

前山,特大桥,总体布置,单位

４逦土钢？混组合箱室抗剪、．的波形钢腹板箱室剪力验算流程进行了规定，尚未有考虑顶板板及内逡逑衬混凝土抗剪作用的内衬混凝土钢－混组合箱室抗剪验算流程探索性逡逑研宄。逡逑ｌ．４依托工程概况逡逑港珠澳大桥珠海连接线工程前山河特大桥主桥为３跨（９０邋ｍ＋１６０邋ｍ＋９０邋ｍ）预应力波逡逑形钢腹板连续箱梁桥，如图１．９所示。其主跨跨径达到１６０ｍ，为目前己建成同类桥型国逡逑内最大、世界前列。逡逑１）主梁逡逑该桥上部结构主梁采用Ｃ６０混凝土，为单箱单室变截面，梁高按１．８次抛物线变化。逡逑中墩支点附近梁高９．５邋ｍ，波形钢腹板高约７邋ｍ，为波形钢腹板宽幅大箱室。顶板宽１５．７５逡逑ｍ，两侧翼缘板宽３．３７５邋ｍ，箱室宽度达９邋ｍ，设２％横坡。顶板底面折线布置，箱室中心逡逑线位置厚２８ｃｍ，经２．２５邋ｍ变为４０邋ｃｍ后，再经１．５邋ｍ变至箱室顶板根部的８５邋ｃｍ。箱室逡逑底板厚度跨中至中墩处按１．８次抛物线由３２邋ｃｍ变至１２０邋ｃｍ。主桥主梁标准横断面如图逡逑１．１０所示。该桥采用悬臂挂篮施工，纵向共划分１９个节段。逡逑

主桥,主梁,横断面,单位

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