大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板穩(wěn)定性分析與試驗(yàn)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(lái)被廣泛運(yùn)用于大跨徑橋梁建設(shè)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(shè)計(jì)高跨比一般為1/20~1/25，當(dāng)橋梁跨徑達(dá)到100m以上時(shí)，鋼腹板高度最高可達(dá)9~10m，然而我國(guó)現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范不能滿足高腹板及加勁肋設(shè)計(jì)和驗(yàn)算的要求，引出了大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板設(shè)計(jì)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(jìn)行連接，混凝土

2、橋面板、剪力釘、加勁肋以及鋼翼緣均對(duì)腹板邊界產(chǎn)生彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用，對(duì)腹板穩(wěn)定性有很大影響。目前穩(wěn)定性理論對(duì)腹板邊界的簡(jiǎn)化主要采用簡(jiǎn)支或嵌固形式，顯然，上述簡(jiǎn)化形式與實(shí)際結(jié)構(gòu)不相符。針對(duì)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(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)，本文采用彈性板件理論、里茲能量變分法、有限元數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，考慮混凝土橋面板、剪力釘、加勁肋、鋼翼緣對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)約束

3、系數(shù)計(jì)算公式，提出彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式，形成大跨徑鋼-混組合梁橋高腹板穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的加勁肋優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)χ計(jì)算公式。彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)χ表征為組合翼緣的扭轉(zhuǎn)剛度與腹板抗彎剛度的比，用以描述組合翼緣邊界對(duì)腹板的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)約束的強(qiáng)弱?；趶椥园寮碚?，考慮發(fā)生腹板屈曲時(shí)腹板邊界與組合翼緣轉(zhuǎn)角相等，將鋼翼緣扭轉(zhuǎn)剛度

4、Ct、剪力釘群對(duì)稱力偶提供的等效扭轉(zhuǎn)剛度Cs與混凝土板的扭轉(zhuǎn)剛度Cc集成鋼-混組合翼緣扭轉(zhuǎn)剛度Cz，獲得鋼-混組合翼緣的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)。
　?。?）獲得彎曲荷載下考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應(yīng)力計(jì)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(zhuǎn)動(dòng)約束約束系數(shù)分別為χt與χ0，假設(shè)高腹板的撓曲面 w(x

5、,y)為多項(xiàng)式與三角函數(shù)的乘積，基于里茲能量變分法使高腹板的應(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的組合梁高腹板臨界屈曲應(yīng)力方程：此公式省略。
　　式中，系數(shù)A1~A7包含了彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界系數(shù)χt與χ0。高腹板邊界彈性約束系數(shù)為0，表明其邊界為簡(jiǎn)支邊，當(dāng)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)邊界約束系數(shù)逐步增大，彎曲臨界屈曲應(yīng)力也逐步增大，當(dāng)χt與χ0達(dá)到20時(shí)，高腹板彎曲臨界屈曲應(yīng)力將趨于一個(gè)常數(shù)，表明此時(shí)組合翼緣邊界可認(rèn)為嵌

6、固邊界，理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致。
　　（3）獲得剪切荷載下考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應(yīng)力計(jì)算公式。考慮鋼-混組合梁高腹板上部組合翼緣和下部鋼翼緣的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束約束系數(shù)分別為χt與χ0，假設(shè)高腹板的撓曲面 w(x,y)為雙三角級(jí)數(shù)，基于里茲能量變分法使高腹板應(yīng)變能與剪切荷載所作的功相等，獲得剪切臨界屈曲應(yīng)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(yīng)力τcr。理論

7、計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致。
　　（4）剪切荷載下考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的鋼-混組合梁高腹板屈曲應(yīng)力試驗(yàn)研究。為研究剪切荷載下組合翼緣邊界彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束性能對(duì)高腹板抗剪臨界屈曲應(yīng)力的影響，驗(yàn)證本文提出的組合翼緣高腹板抗剪臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式，設(shè)置了一組(7片)I字型鋼-混組合梁進(jìn)行抗剪屈曲試驗(yàn)，組合梁長(zhǎng)×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(duì)組合翼緣邊界彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)的影響，設(shè)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(yàn)結(jié)果表明：高腹板的抗剪臨界屈曲應(yīng)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(yīng)出組合翼緣的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束性能對(duì)高腹板抗剪臨界屈曲應(yīng)力有直接影響。由本文公式計(jì)算獲得的抗剪臨界屈曲應(yīng)力與試驗(yàn)值比較一致，誤差

9、在1.2％~11.6％之間，驗(yàn)證了本文計(jì)算公式的正確性。
　　（5）獲得彎、剪復(fù)合荷載下考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)合作用下的屈曲特性，建立考慮組合翼緣彈性轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)約束系數(shù)χ、彎剪應(yīng)力比η、彎曲荷載應(yīng)力梯度λ等參數(shù)，進(jìn)行了4種寬高比高腹板在彎、剪復(fù)合作用下的臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范彎、剪復(fù)合方程曲線進(jìn)

10、行對(duì)比分析，獲得了彎、剪復(fù)合荷載下考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)結(jié)果相比，支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)高腹板臨界屈曲應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較一致，誤差為2.5％。
　　（6）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(jù)港珠澳大橋鋼-混組合連續(xù)梁橋施工與安裝過程，計(jì)算分析了15種工況下支點(diǎn)負(fù)彎矩高腹板最大抗彎應(yīng)力σ與抗剪應(yīng)力τ，利用本文提出的考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)邊界約束的

11、鋼-混組合梁高腹板屈曲方程對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明，各種工況下屈曲穩(wěn)定系數(shù)均小于1，說(shuō)明港珠澳大橋鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)高腹板穩(wěn)定性滿足要求，也與我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的驗(yàn)算結(jié)果一致。
　　（7）獲得了考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界的鋼-混組合梁高腹板加勁肋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?；趶椥园寮碚摚僭O(shè)縱向加勁肋位置與剛度，采用加勁肋分隔的子板與與整個(gè)腹板同時(shí)達(dá)到屈曲的原則，考慮組合翼緣邊界的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用，獲得了考慮彈性轉(zhuǎn)動(dòng)約束邊界高腹板加勁肋