大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板穩(wěn)定性分析與試驗研究.pdf

1、鋼-混組合梁橋受力合理，跨越能力大，橋面鋪裝性能好，近年來被廣泛運用于大跨徑橋梁建設工程。隨著橋梁跨徑的不斷增大，組合梁橋腹板高度不斷增加。大跨徑鋼-混組合梁橋設計高跨比一般為1/20~1/25，當橋梁跨徑達到100m以上時，鋼腹板高度最高可達9~10m，然而我國現行的橋梁設計規(guī)范不能滿足高腹板及加勁肋設計和驗算的要求，引出了大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板設計新問題。
　　鋼-混組合梁橋的混凝土橋面板通過剪力釘與鋼主梁進行連接，混凝土

2、橋面板、剪力釘、加勁肋以及鋼翼緣均對腹板邊界產生彈性轉動約束作用，對腹板穩(wěn)定性有很大影響。目前穩(wěn)定性理論對腹板邊界的簡化主要采用簡支或嵌固形式，顯然，上述簡化形式與實際結構不相符。針對大跨徑鋼-混組合梁橋腹板高、高厚比大、腹板邊界約束作用不明確、應力狀態(tài)復雜的特點，本文采用彈性板件理論、里茲能量變分法、有限元數值模擬和模型試驗方法，考慮混凝土橋面板、剪力釘、加勁肋、鋼翼緣對高腹板邊界的約束作用，獲得大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板彈性轉動約束

3、系數計算公式，提出彈性轉動約束邊界的大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板臨界屈曲應力計算公式，形成大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板穩(wěn)定性設計的加勁肋優(yōu)化設置方法。本文的主要工作與創(chuàng)新性成果如下：
　　（1）提出鋼-混組合梁高腹板邊界彈性轉動約束系數χ計算公式。彈性轉動約束系數χ表征為組合翼緣的扭轉剛度與腹板抗彎剛度的比，用以描述組合翼緣邊界對腹板的相對轉動約束的強弱?；趶椥园寮碚?，考慮發(fā)生腹板屈曲時腹板邊界與組合翼緣轉角相等，將鋼翼緣扭轉剛度

4、Ct、剪力釘群對稱力偶提供的等效扭轉剛度Cs與混凝土板的扭轉剛度Cc集成鋼-混組合翼緣扭轉剛度Cz，獲得鋼-混組合翼緣的彈性轉動約束系數χ：此公式省略。
　　由公式可見，剪力釘與混凝土板的存在增大了鋼-混組合翼緣的彈性轉動約束系數。
　?。?）獲得彎曲荷載下考慮彈性轉動約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應力計算公式?？紤]鋼-混組合梁高腹板上部組合翼緣和下部鋼翼緣的彈性轉動約束約束系數分別為χt與χ0，假設高腹板的撓曲面 w(x

5、,y)為多項式與三角函數的乘積，基于里茲能量變分法使高腹板的應變能與彎曲荷載所作的功相等，獲得彎曲荷載作用下考慮彈性轉動約束邊界的組合梁高腹板臨界屈曲應力方程：此公式省略。
　　式中，系數A1~A7包含了彈性轉動約束邊界系數χt與χ0。高腹板邊界彈性約束系數為0，表明其邊界為簡支邊，當彈性轉動邊界約束系數逐步增大，彎曲臨界屈曲應力也逐步增大，當χt與χ0達到20時，高腹板彎曲臨界屈曲應力將趨于一個常數，表明此時組合翼緣邊界可認為嵌

6、固邊界，理論計算結果與有限元分析結果一致。
　?。?）獲得剪切荷載下考慮彈性轉動約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應力計算公式?？紤]鋼-混組合梁高腹板上部組合翼緣和下部鋼翼緣的彈性轉動約束約束系數分別為χt與χ0，假設高腹板的撓曲面 w(x,y)為雙三角級數，基于里茲能量變分法使高腹板應變能與剪切荷載所作的功相等，獲得剪切臨界屈曲應力求解矩陣：此公式省略。
　　令上述矩陣行列式為零，獲得高腹板剪切荷載下臨界屈曲應力τcr。理論

7、計算結果與有限元分析結果一致。
　?。?）剪切荷載下考慮彈性轉動約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應力試驗研究。為研究剪切荷載下組合翼緣邊界彈性轉動約束性能對高腹板抗剪臨界屈曲應力的影響，驗證本文提出的組合翼緣高腹板抗剪臨界屈曲應力計算公式，設置了一組(7片)I字型鋼-混組合梁進行抗剪屈曲試驗，組合梁長×高為3200mm×900mm，高腹板寬×高×厚為1300mm×800mm×6mm，混凝土板厚度為80mm，上翼緣板寬×厚為400m

8、m×5mm，下翼緣板寬×厚為600mm×10mm；為了研究剪力釘布置方式對組合翼緣邊界彈性轉動約束系數的影響，設置剪力釘直徑和高度為φ10mm×40mm，縱向間距為200mm至500mm，橫向間距為30mm至150mm；試驗結果表明：高腹板的抗剪臨界屈曲應力隨剪力釘縱向間距增大而減小、隨剪力釘橫向間距增大而增大，反應出組合翼緣的彈性轉動約束性能對高腹板抗剪臨界屈曲應力有直接影響。由本文公式計算獲得的抗剪臨界屈曲應力與試驗值比較一致，誤差

9、在1.2％~11.6％之間，驗證了本文計算公式的正確性。
　?。?）獲得彎、剪復合荷載下考慮彈性轉動邊界約束的鋼-混組合梁高腹板屈曲方程。為研究組合翼緣高腹板在彎、剪復合作用下的屈曲特性，建立考慮組合翼緣彈性轉動邊界約束的高腹板有限元模型，通過改變高腹板上、下邊界彈性轉動約束系數χ、彎剪應力比η、彎曲荷載應力梯度λ等參數，進行了4種寬高比高腹板在彎、剪復合作用下的臨界屈曲應力計算，將計算結果與我國現行鋼結構規(guī)范彎、剪復合方程曲線進

10、行對比分析，獲得了彎、剪復合荷載下考慮彈性轉動邊界約束的鋼-混組合梁高腹板屈曲方程：此公式省略。
　　與港珠澳大橋鋼-混組合梁模型試驗結果相比，支點負彎矩區(qū)高腹板臨界屈曲應力試驗結果與計算結果比較一致，誤差為2.5％。
　?。?）開展了港珠澳大橋鋼-混組合梁橋高腹板穩(wěn)定性分析。根據港珠澳大橋鋼-混組合連續(xù)梁橋施工與安裝過程，計算分析了15種工況下支點負彎矩高腹板最大抗彎應力σ與抗剪應力τ，利用本文提出的考慮彈性轉動邊界約束的

11、鋼-混組合梁高腹板屈曲方程對其進行穩(wěn)定性驗算，計算結果表明，各種工況下屈曲穩(wěn)定系數均小于1，說明港珠澳大橋鋼-混組合梁負彎矩區(qū)高腹板穩(wěn)定性滿足要求，也與我國現行鋼結構規(guī)范的驗算結果一致。
　?。?）獲得了考慮彈性轉動約束邊界的鋼-混組合梁高腹板加勁肋優(yōu)化設計方法?；趶椥园寮碚?，假設縱向加勁肋位置與剛度，采用加勁肋分隔的子板與與整個腹板同時達到屈曲的原則，考慮組合翼緣邊界的彈性轉動約束作用，獲得了考慮彈性轉動約束邊界高腹板加勁肋