波形钢腹板PC组合箱梁扭转力学性能分析

发布时间：2019-09-11 15:43

【摘要】：波形钢腹板PC组合箱梁是一种钢与混凝土材料的组合体，两种材料各自发挥自身的力学性能：混凝土顶底板承受弯矩，波形钢腹板承受剪力，充分地发挥了材料的特性，，因而该类组合结构材料得到充分利用。在扭转受力方面，将钢腹板代替传统的混凝土腹板，具有一般箱梁扭转特性，但由于波形钢腹板具有特殊的折叠效应且钢腹板很薄，与一般箱梁的应力相比较，会发生一定程度的变化。因波形钢腹板箱梁的横截面面积较小，抗扭惯性矩和抗扭刚度将会极大地减小，从而波形钢腹板箱梁在承受外力扭矩作用时，其截面的翘曲系数、扭转翘曲应力、纵向位移及扭转角变化率会比一般预应力混凝土箱梁的大。为了具体地研究波形钢腹板PC组合箱梁在承受扭转荷载作用时的力学性能，主要完成了以下工作： 1通过查阅相关文献，通过实验室已经完成的模型试验梁，了解波形钢腹板箱梁的一般施工工艺、内部构造及组合连接部位衔接问题的处理，概述了该类组合结构的结构特点、力学特性、优点及目前国内外的研究状况。 2通过位移等效法及刚度等效法求出波形钢腹板三个尺寸方向的弹性模量，将三维波形钢腹板问题简化成二维问题，得出波形钢腹板纵向弹性模量远小于其余两方向弹性模量，这便是波形钢腹板产生褶皱效应的缘由。 3利用薄壁箱梁理论及弹性板壳理论推导波形钢腹板的抗扭惯性矩，得出顶板悬挑部分的抗扭惯性矩为整个截面的0.5%，从而仅研究箱梁的环形部分的抗扭惯性矩是可行的，再者，理论公式推导与模型试验结果有一定的差别，需要进一步对理论分析研究结果进行修正。 4利用能量变分原理推导出了波形钢腹板约束扭转控制微分方程，考虑梁体承受两种特殊外力荷载状态—满跨均布扭转及跨中集中扭矩，并对控制微分方程进行通解及特解的分析，进而推导了截面扭转角、翘曲系数、双力矩及梁体截面扭矩等常用力学参数，并将这些参数与同尺寸一般箱梁的相关参数进行对比，得出波形钢腹板箱梁对截面扭转角及翘曲系数相当敏感，且在大跨径长悬臂状态下这些参数将更为突出。 5波形钢腹板箱梁的抗扭刚度低于一般箱形梁，在动荷载作用下扭转振动将处于不利的状态，利用能量变分原理来求解扭转自由振动微分方程，对微分方程采用分离变量法求出扭转自振频率及振型参数。 6参照实验室内缩尺模型试验梁的尺寸，建立ANSYS模型，进行网格划分、边界条件及外荷载的施加，提取截面顶底板的纵向应力位移云图，钢腹板的剪切应力云图并与理论计算结果进行对比分析，探讨该研究方法的可行性。通过提取波形钢腹板箱梁自振频率，并从中取出前三阶扭转自振频率，理论计算结果和试验结果表明：第一阶扭转频率与理论值相差较近，后两阶扭转频率存在着一定误差。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U441;U448.213

【参考文献】