矩形多格室高性能钢-混凝土组合桥塔轴心受压性能研究

发布时间：2020-08-28 00:43

【摘要】：外包钢板、内填混凝土的钢管混凝土型高性能钢-混凝土组合桥塔内部设置隔板将其分割成多个格室并设置PBL剪力连接件,在轴心受压情况下,受力较为复杂。本文依托国家重点研发计划项目(2016YFC0701202):“城市桥梁、停车设施钢结构体系及工程示范”和中国交通建设股份有限公司科技研发项目(2014-ZJKJ-PTJC03):“高性能钢-混凝土组合桥塔关键技术研究”,为了研究单、多格室组合桥塔轴心受压极限承载力之间的关系,选取相同尺寸格室组成等格室单、双、三格室I形、三格室L形的模型,采用数值分析方法研究单、多格室试件钢材对混凝土的约束效应。具体研究工作包括以下四个部分:(1)采用ABAQUS 2016有限元软件对文献[56]中单格室PBL加劲型方钢管混凝土短柱轴心受压试件建模分析,计算所得极限承载力和关键点荷载-应变曲线与试验结果进行了对比,有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证有限元模拟方法的正确性。分析了单格室试件轴心受压全过程中开孔钢板加劲肋的受力情况,提出了横向变形最不利处开孔钢板加劲肋开孔的设置方法。(2)采用经过验证的有限元建模方法,建立了设置开孔钢板加劲肋的等格室单格室、多格室钢-混凝土组合桥塔模型,以格室数量、格室尺寸、约束条件为参数,对多格室钢-混凝土组合桥塔模型在轴心受压下的极限承载力、破坏模式、变形特征、外包钢板与混凝土之间的约束作用以及格室间的约束作用进行了分析。研究结果表明:在轴心受压工况下,单格室试件外包钢板对核心混凝土的约束作用最强,随着格室数量增加,外包钢板对核心混凝土的约束作用减弱;在三格室试件中,L形试件外包钢板对核心混凝土的约束作用更强。外包钢板的宽厚比k越大,试件的轴压刚度越大,外包钢板对核心混凝土的约束作用越弱。格室间的隔板上某一点只能向同一方向变形,不能同时起到约束两侧格室的作用,多格室的试件虽然承载力不能成倍增加,但其中间隔板仍能起到对壁板局部屈曲的缓解和对混凝土的约束作用,其承载力大于钢材与混凝土简单叠加得到的承载力。(3)以某小型多格室高性能钢-混凝土组合桥塔为例,采用经验证的有限元模拟方法进行数值计算,结果表明:该组合桥塔在轴心受压承载力作用下,峰值承载力比钢、混凝土简单叠加承载力提高了25%,核心混凝土承载力提高系数也达到了1.94。(4)本文将有限元计算的单格室、多格室试件和多格室高性能钢-混凝土组合桥塔极限承载力结果,与相关规范进行了对比。结果表明:美国规范(ASI/AISC341-10)与欧洲规范EC4(2004)结果相近最为保守;中国规范《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)相对保守;文献[56]提出PBL加劲型方钢管混凝土柱轴心受压承载力的计算方法,计算结果与有限元结果对比较为吻合,但出于实际工程中的安全考虑,可依据工程情况需要,结果乘以相应的安全系数。本文的创新点为:(1)以格室为单位对多格室钢-混凝土组合桥塔进行轴心受压性能的研究。(2)分析了单格室试件轴心受压全过程中开孔钢板加劲肋的受力情况,提出了横向变形最不利处开孔钢板加劲肋的设置方法。(3)以格室数量、格室尺寸、约束条件为参数,分析单格室、多格室模型轴心受压性能及格室间的约束作用。(4)讨论可应用于实际工程中多格室高性能钢-混凝土组合桥塔轴心受压承载力设计中的合理计算方法。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.38
【图文】：

钢管混凝土桥,桥塔,组合结构

这是我国第一座钢管混凝土桥塔的斜拉桥[4]。2001 年建成的重庆万州万安桥两座斜拉桥桥塔均采用钢管混凝土组合结构[5]。2013 年刘家峡黄河大桥建成其钢管混凝土桥塔是目前我国直径最大的钢管混凝土桥塔，且是钢管混凝土结第一次应用于在悬索桥桥塔[6]。目前建成的钢管混凝土组合桥塔中，多以圆形或形单格室为主，偶有多肢结构。随着组合结构的不断发展，组合结构在桥塔中用不断丰富，组合结构桥塔将会以更加复杂的形式应用于桥梁结构中，具有更阔的前景[7]。a.阿拉米罗大桥（西班牙） b.南海紫洞大桥（中国）

示意图,钢材,应力-应变关系,示意图

1/22 2 21 2 2 3 3 123i，钢材的切线模量sE 恒定，为线性的应力-应变模量逐渐减小，由弹性阶段的，至进入屈服据经典塑性力学[73]，此阶段屈服应力与塑性应pi iH d—混凝土立方体抗压强度——与pi有关的函数。服时满足 Von-Mises 屈服准则，则屈服面的方1/22 2 21 2 2 3 3 122H 3mm 厚钢材yf 414MPa，4mm 厚钢材 46化应力-应变曲线如图 2.2 所示，其中:pf 为钢材强度，uf 为钢材的抗拉强度， 0.8 /e y sf E ，1e

示意图,网格划分,构件,外包钢板

图 2.3 混凝土应力-应变关系示意图Fig. 2.3 Stress-strain curve of concrete2.2.3 单元类型与网格划分试件的模型分为外包钢板、加劲肋钢材和核心混凝土三部分，外包钢板和加劲肋钢材采用同种材料，均采用 4 节点四边形线性缩减积分壳单元（C4R）；核心混凝土采用 8 节点六面体线性减缩积分实体单元（C3D8R）。各部件按实际试验中尺寸建模。网格划分时，网格划分的精细程度，对计算结果的准确性有一定影响，但网格划分越精细对计算机的硬件要求也提高，结合实际情况，核心混凝土采用30mm×30mm 的网格，外包钢板及内部加劲肋采用 10mm×10mm 的网格进行划分。网格划分采用结构划分方式，保证网格划分结果合理均匀，避免出现畸变的网格，使模型计算容易收敛，同时保证计算结果的准确性。构件网格划分如图 2.4 所示。

【参考文献】