窄幅钢箱梁—混凝土组合桥梁静力学性能理论分析和仿真研究

• 作 者: 孔婷婷
• 出 处: 上海大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 双主梁窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁 弹性薄板理论 阶梯型变刚度梁 部分充填混凝土钢箱梁 有限元分析 广义函数 解析解

钢梁-混凝土组合桥由于其能充分发挥钢材和混凝土各自的材料特性,具有显著的技术经济效益和社会效益,在国际上已有广泛的应用。而当今我国建设的组合梁一般采用密排工字钢梁或钢箱梁结构,用钢量大,后期养护维修也较复杂。因此对组合梁结构形式进行简化,研发受力合理、结构经济的新组合桥梁形式具有重要的理论和现实意义。近年来,国际上已逐渐形成的以双主梁或少主梁为主流的组合桥梁大幅度地减少了加劲构件,特别适合城市高架桥梁和高速公路等的建设施工条件,在国外已有了一定工程应用实例,但目前在国内的应用甚少。因此,对这种新型双主梁或少主梁组合桥梁结构形式的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文对双主梁或少主梁组合桥梁结构形式之一的双主梁窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁从施工阶段至成桥后运营阶段的几个静力学问题开展了理论分析和有限元数值模拟,为此类桥梁分析设计提供了一定的理论支撑和指导。主要工作如下:1)以现有规范和实际桥梁工程为依据,对某一具体双主梁窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁进行了各项参数的确定和施工方案编制工作,并利用ABAQUS有限元软件就此桥梁从建设施工阶段至成桥后运营阶段的力学性能进行了仿真模拟,分析了此桥梁结构体系在各阶段的变形及内力,得到桥面板和钢主梁在关键截面的横桥向应力分布,进一步研究此桥梁结构体系的剪力滞后效应及桥面板开裂问题。2)针对少主梁导致桥面板双向弯曲效应显著的特点,基于薄板广义简支边概念和叠加原理,将简支双主梁桥面板系统分解为三个子面板和两个组合梁,利用子面板和组合梁间的变形协调条件,得到了桥面板双向弯曲变形的解析级数解。研究了某具体双主钢梁-混凝土组合桥面板系统的弯曲变形特征,揭示了桥面板具有较大横向负弯矩,易造成桥面板的纵向开裂的机理。同时,进行了参数分析,数值考察了桥面板抗弯刚度、长度以及桥面板和钢梁间连接性能等对桥面板变形和内力分布的影响。3)针对钢箱梁内充填混凝土以控制负弯矩区桥面板的拉应力问题,将钢箱梁-混凝土组合桥梁等效为阶梯型变刚度Euler-Bernoulli梁,利用Heaviside函数得到任意荷载作用下阶梯型变刚度Euler-Bernoulli梁弯曲变形的显式解析通解。针对实际桥梁工程中的三跨连续窄幅钢箱梁-混凝土面板组合桥梁,分析了负弯矩区内钢箱梁内部充填混凝土和箱梁壁厚等对负弯矩和桥面板顶部拉应力的影响,为有效控制混凝土桥面板拉应力提供了一定的理论基础和措施推荐。