单箱双室箱梁极限扭转承载力的空间桁架理论分析

发布时间：2017-03-25 23:10

  本文关键词：单箱双室箱梁极限扭转承载力的空间桁架理论分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现阶段,桥梁在各种工程上的应用越来越广泛,从桥梁的横截面形式来说,箱形截面的桥梁由于其具有较好的抗扭承载力和抗弯承载力,并且梁体整体性也比较强,能够适应多种情况下桥梁的施工,所以箱形梁桥也越来越多的应用到了桥梁建设中。本文在国家自然科学基金:单箱多室箱梁的空间力学行为及一维梁段分析方法研究(51168030)下进行理论研究的,并结合模型试验和数值模拟,重点研究了单箱双室箱梁在理论分析中的几个问题,主要研究内容有:(1)针对单箱双室箱梁在外力扭矩作用下,通过对各箱室顶底板以及各个腹板处扭转剪力流采用闭合法进行分析,得到结论为:多室箱梁在受到外力扭矩作用时,各个板剪力流大小是不同的。针对双室箱梁来说,中腹板剪力流大小是顶底板剪力流大小的7%左右,在单箱双室箱梁抵抗外力扭矩的过程中,中腹板发挥的作用较边腹板来说相对较小。因此,可以认为双室箱梁在抵抗外力扭矩时,主要还是以箱梁的整体截面进行抗扭。(2)双室箱梁相较与单室箱梁而言,由于中腹板的存在,其横截面的混凝土塑性抵抗矩发生了变化,通过对单箱双室箱梁扭转中心的近似,导出双室箱梁截面混凝土塑性抵抗矩。(3)依据桁架理论,在箱梁受扭混凝土开裂后,梁体混凝土和钢筋共同组成桁架体系来抵抗外力扭矩。针对双室箱梁在抗扭过程中中腹板相对于箱梁的顶、底板和边腹板来说贡献较小,故在双室箱梁混凝土开裂后,其受扭行为近似于单室箱梁。由于中腹板不参与桁架体系,所以双室箱梁抗扭承载力计算公式中的钢筋项系数沿用公路规范中给出的1.2。双室箱梁由于横截面混凝土塑性抵抗矩的变化,所以对混凝土项的系数还需要进一步修正。对于钢筋混凝土箱梁受扭的配筋设计,现阶段比较认可的方法就是迭代逼近的方法。本文应用软化桁架理论,对配筋过程中的相关公式进行了推导、收集和整理。通过试算迭代的设计流程,用MATLAB编制计算程序,通过算例,得出单箱双室箱梁抗扭承载力计算公式中的混凝土项的系数。同时,上述的双室箱梁抗扭承载力计算公式的推导都是对于公路桥梁来说的,针对铁路单箱双室箱梁桥的抗扭承载力计算公式,也可以通过钢筋强度和混凝土的强度的换算来得到。(4)本文针对单箱双室箱梁,依据截面等效荷载,分解提出了单箱双室箱梁在对称集中荷载下出现的纵向弯曲和局部扭转组合变形模式。利用基于截面剪力流平衡的箱室受力解算,获得了局部扭转效应的等效荷载及其应力计算公式。再通过单箱双室箱梁的数值模拟和模型试验的结果的对比,验证了本文提出的局部扭转效应计算公式的正确性,并分析了单箱双室简支箱梁的局部扭转规律。(5)对于现行的铁路32m标准单箱双室简支梁桥,当双线列车活载作用于箱梁两个边腹板时,顶板在靠近边腹板和悬臂板部位的应力与初等梁计算应力符号一致、而远离荷载的中腹板应力与初等梁计算应力符号相反。沿梁长方向,跨中截面的局部扭转应力分布和l/4截面不同。顶底板均为靠近中腹板部位为压应力、边腹板和悬臂板部位是拉应力。(6)对于现行铁路32m标准单箱双室简支梁桥,当箱梁跨中截面作用双线活载时,箱梁的局部扭转纵向应力随高跨比的增加而变大。l/4截面的翘曲比例系数相较与跨中截面来说,整体偏小,并小于相应控制点的跨中截面的翘曲比例系数。不管是跨中截面还是l/4截面,箱梁顶板翼缘端部的局部扭转纵向应力受高跨比的影响都较大。跨中截面的翘曲比例系数不超过20%,l/4截面的翘曲比例系数不超过5%。说明现行桥梁的高跨比在对箱梁在双线荷载下产生的局部扭转应力控制的是很好的,现行桥梁的高跨比是合理的。
【关键词】：双室箱梁 局部扭转 扭转极限承载力 空间桁架理论 模型试验
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 箱形截面梁扭转效应研究的国内外现状11-12
• 1.3 箱梁扭转效应研究的目的及本文需解决的问题12-14
• 1.3.1 箱梁扭转效应研究的目的12-13
• 1.3.2 本文需解决的问题13-14
• 2 扭矩作用下单箱双室箱梁的整体扭转效应14-35
• 2.1 单箱双室箱梁扭转承载力的相关公式推导14-19
• 2.1.1 单箱双室箱梁在扭矩作用下各室剪力流分析14-15
• 2.1.2 单箱双室箱梁扭转中心位置确定15-17
• 2.1.3 单箱双室箱梁混凝土受扭塑性抵抗矩公式的推导17-19
• 2.2 单箱双室箱梁抗扭强度计算19-22
• 2.2.1 单箱双室箱梁截面抗扭常数19-20
• 2.2.2 单箱双室箱梁抗扭钢筋计算及扭矩限值20-22
• 2.3 单箱双室箱梁在扭矩作用下基于桁架理论的设计流程22-33
• 2.3.1 单箱双室箱梁空间桁架模型22-24
• 2.3.2 单箱双室箱梁边腹板剪力单元受力平衡24-25
• 2.3.3 单箱双室箱梁受扭应变莫尔圆25-27
• 2.3.4 钢筋与混凝土的本构关系27-28
• 2.3.5 单箱双室箱梁抗扭设计流程及MATLAB程序28-32
• 2.3.6 铁路单箱双室箱梁抗扭公式的换算32-33
• 2.4 本章小结33-35
• 3 集中荷载作用下单箱双室箱梁的局部扭转效应35-59
• 3.1 对称荷载作用的双室箱梁变形模式35-36
• 3.2 单箱双室箱梁局部扭转的受力分析36-45
• 3.2.1 单箱双室箱梁截面剪力流分布36-40
• 3.2.2 针对单箱双室箱梁剪力流的分离等效40-41
• 3.2.3 单箱双室箱梁局部扭转荷载计算41-43
• 3.2.4 单箱双室截面局部扭转应力分析43-45
• 3.3 单箱双室简支箱梁的局部扭转试验研究45-57
• 3.3.1 试验研究工况45-46
• 3.3.2 实验模型制作46-47
• 3.3.3 实验模型加载47-48
• 3.3.4 有限元模型48-49
• 3.3.5 模型试验结果及对比分析49-57
• 3.4 本章小结57-59
• 4 单箱双室箱梁扭转效应的算例分析研究59-70
• 4.1 单箱双室箱梁算例模型59-60
• 4.2 双线行车时单箱双室箱梁的局部扭转效应计算60-67
• 4.2.1 荷载效应计算61-65
• 4.2.2 有限元模型建立65
• 4.2.3 有限元模型荷载施加65-66
• 4.2.4 250km/h客运专线局部扭转应力分析对比66-67
• 4.3 设计参数对铁路双线箱梁桥的局部扭转应力的影响67-69
• 4.4 本章小结69-70
• 结论70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-75
• 附录A MATLAB设计程序75-79
• 攻读学位期间的研究成果79

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