单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力分析

为研究单箱多室波形钢腹板箱梁桥在车轮荷载下的横向受力特点及有效分布宽度,建立了单箱单室、双室、三室波形钢腹板箱梁的有限元模型,对比分析了3种截面箱梁的横向应力和有效分布宽度的规律。通过缩尺模型梁试验,验证了有限元分析结果。通过研究发现,单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁,但按照目前规范计算波形钢腹板箱梁的有效分布宽度存在较大误差。利用有限元模型,研究了荷载横向作用位置、腹板中心间距、悬臂板长度、顶板厚度、波形钢腹板尺寸及类型等参数对单箱单室箱梁有效分布宽度的影响,结果表明荷载横向作用位置和箱室腹板中心间距是最重要影响因素。通过对参数分析结果进行曲面拟合,得到了单箱单室波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算公式;单箱多室箱梁有效分布宽度可按0.9倍的单室箱梁有效分布宽度计算。最后,以某单箱三室波形钢腹板箱梁桥为例,按照该文公式求得有效分布宽度,采用弹性框架法计算了横向单点和多点车轮荷载作用下箱梁的顶板横向应力,并与有限元模型、桥规方法计算结果进行了对比,发现:横向多点车轮加载时,忽略不同箱室有效分布宽度的差异会使横向应力计算结果偏不安全,建议采用该文提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照该文方法计算的横向应力结果更精确,与规范方法相比误差可减小20%~40%。     

波形钢腹板组合槽型梁剪切挠度计算方法与试验研究

为了提出适用于波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度的计算方法,分析了荷载作用下组合梁的受力特点和截面上的剪应力分布规律,推导了剪应变的几何方程,提出了支反力-荷载分段函数的计算模式,通过对几何方程进行积分,建立了波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度计算公式。该公式能够计算多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度,并适用于波形钢腹板组合梁的其它截面形式。通过4片波形钢腹板组合槽型梁和1片波形钢腹板组合工形梁的静载试验和有限元分析,验证了剪切挠度计算公式的准确性。试验研究表明:对于5片缩尺试验梁,不考虑剪切变形的影响,挠度值偏小约20%,而采用该文考虑剪切变形影响的挠度公式计算的理论值与实测值吻合良好。     

波形钢腹板组合梁桥横向受力研究

该文结合波形钢腹板箱梁的受力特性,考虑了波形钢腹板箱梁横向受力产生的周边不变形的约束扭转和畸变翘曲,对波形钢腹板组合梁桥横向受力进行研究,提出了波形钢腹板箱梁横向受力计算模型;并针对波形钢腹板箱梁实桥进行了试验研究和有限元计算,验证了横向受力计算模型的有效性。对比我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中混凝土箱梁桥横向设计要求,研究表明提高横向设计弯矩系数即可实现波形钢腹板箱梁桥的横向设计安全。     

波形钢腹板组合槽形梁抗扭性能试验研究

为了研究新型结构预应力波形钢腹板组合槽形梁的抗扭性能,基于约束扭转理论,推导了波形钢腹板组合槽形梁的约束扭转翘曲应力表达式和扇形惯性矩;考虑了波形钢腹板的褶皱效应对纵向刚度的影响,计入波形钢腹板的剪切变形对约束扭转刚度的降低,得到了扇形惯性矩修正公式;最终建立了集中扭矩作用下的扭转角计算公式。完成了2片波形钢腹板组合槽形试验梁的偏载试验和3片相同梁的对称加载试验,试验表明:90 kN以内的偏载作用下,试验梁的荷载-位移曲线基本呈线性;试验梁两侧竖向位移的平均值与对称荷载作用下的竖向位移基本相同;试验梁的偏载系数位于1.2~1.3,比波形钢腹板组合箱梁增大10%左右。理论计算、试验测试和有限元分析表明:该文建立的扭转角计算公式采用修正过的扇形惯性矩进行计算,具有良好的精度。     

基于变分原理的波形钢腹板箱梁挠度计算解析法

该文通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,基于能量变分原理,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法。并分别针对单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,将该文方法与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法及有限元值进行比较分析。结果表明:该文方法具有较高的准确性;剪切变形影响系数随高跨比和宽跨比的增大明显增大,而剪力滞效应影响系数受高跨比的变化影响较小。     

大跨波形钢腹板箱梁桥日照温度场及温差效应研究

针对目前我国桥涵设计规范未给出波形钢腹板箱梁日照温度梯度,和其温度梯度研究工作的不足。以港珠澳大桥连接线工程某特大跨波形钢腹板连续箱梁桥为研究对象,对其波形钢腹板箱室断面,进行了3 d的日照温度场观测。研究了其日照温度场分布规律,继而提出波形钢腹板箱梁竖向和横向温度梯度数学计算模型,并对温差参数的取值进行了探讨。结合现场实测数据和有限元软件,对比不同温度梯度模式的温差计算值,分析了其温差效应。研究结果表明:实测波形钢腹板箱梁温度场分布与传统箱梁相差较大;温度梯度模式为指数函数和线性函数组成的分段函数;该模式计算得到的竖向及横向温差值与实测结果十分吻合,其他模式与实测结果相差较大;由于温差效应影响,顶板中轴线下缘产生了较大的横向拉应力,设计中应给予关注。该模式可为不同气候条件地区同类桥梁温度荷载计算提供重要参考。     

波形钢腹板PC组合箱梁纯扭作用下抗扭承载力试验研究

为了更好的了解波形钢腹板PC组合箱梁扭转力学机理及其抗扭承载力影响因素,该文通过模型试验的方法,对4根波形钢腹板PC组合箱梁模型进行纯扭作用下的承载力研究。通过偏心加载的方式对模型梁施加单调纯扭矩。试验结果表明:波形钢腹板PC组合箱梁在纯扭作用下,混凝土顶、底板裂缝方向与梁纵轴线基本成45°角;截面中心纵向钢筋对组合箱梁抗扭贡献不大;抗扭刚度与波形参数η成正比;钢腹板屈服扭矩与组合箱梁极限扭矩随着钢腹板厚度的增加而增大。     

考虑时变温度作用的新型波形钢腹板组合箱梁动力特性分析

针对新型波形钢腹板(corrugated steel web, CSW)组合箱梁在日照辐射和变温环境影响下结构温度呈现不均匀分布,从而引起结构动力特性变化的问题。基于应力等效原则提出一种时变温度作用下考虑钢-混接触面滑移效应的新型波形钢腹板组合箱梁自振频率解析计算方法。以一根跨径为8.0 m的新型波形钢腹板简支组合箱梁为研究对象,对试验梁进行有限元模拟分析和解析计算,并与现场实测值进行对比分析,验证所提方法的可靠性,揭示了时变日照温度对新型波形钢腹板组合箱梁动力特性的影响机理。结果表明:时变温度会引起新型波形钢腹板组合箱梁频率的显著改变,各阶振型频率与温度呈线性负相关关系;混凝土弹性模量的改变是波形钢腹板组合箱梁时变温度动力特性变化的关键因素;温度引起新型波形钢腹板组合箱梁前3阶模态频率的相对变化可达5.2%～7.3%,在该类桥梁动力特性测试与结构性能评估中应考虑温度影响。     

波形钢腹板梁变形计算的有效刚度法

为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板梁受力行为的影响,引入腹板剪切变形转角函数,将波形钢腹板梁的弯曲行为分解为桁架作用和弯曲作用,建立一个能够考虑波形钢腹板剪切变形的波形钢腹板梁理论模型,推导了简支和悬臂波形钢腹板梁在不同类型荷载作用下的变形解析解,采用有限元方法验证了理论模型和解析解的正确性和适用性。根据变形等效原理,引入重要影响参数对波形钢腹板梁的变形解析解进行简化,提出了考虑腹板剪切行为的波形钢腹板梁变形简化计算方法——有效刚度法。用该文提出的有效刚度法计算波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的变形值和试验结果吻合良好,为波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的挠度计算提供一种准确性较高的简化计算方法。     

波形钢腹板-混凝土组合箱梁截面变形的拟平截面假定及其应用研究

为使波形钢腹板-混凝土组合箱梁的正截面弯曲应力计算能够应用平截面假定,根据该组合箱梁模型试验在弹性阶段的应变实测数据和空间有限元计算结果,忽略波形钢腹板的抗弯贡献,假设上、下翼板的混凝土纵向正应变在弹性阶段符合“拟平截面假定”,并运用变分法理论进行了证明。算例表明据“拟平截面假定”计算的翼板应力计算值与有限元法计算结果吻合。“拟平截面假定”为波形钢腹板-混凝土组合箱梁的弯曲应力计算及抗弯承载力计算在理论上提供了必要的变形协调条件。     

预应力混凝土组合箱梁桥波形钢腹板的屈曲分析

通过解析方法及空间有限元方法研究波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在各种腹板尺寸参数时,对钢腹板的剪切屈曲应力或临界荷载及屈曲模态的影响。计算及分析结果表明:腹板高度越大,其它参数不变时,屈曲临界荷载随折叠角度的增大而呈抛物线形的增加幅度越小;当腹板折叠角度越大,腹板越厚,其它参数不变时,屈曲临界荷载随着腹板高度的增加呈抛物线形的下降幅度越大。因此,在钢腹板的5个参数中,腹板高度及腹板折叠角度两个参数对腹板的剪切屈曲稳定和屈曲模态起着关键的作用,不能随意用腹板的高厚比来衡量屈曲应力的大小。     

Mechanical Behavior of a Partially Encased Composite Girder with Corrugated Steel Web: Interaction of Shear and Bending

The synergistic use of partially encased concrete and composite girders with corrugated steel webs (CGCSWs) has been proposed to avoid the buckling of corrugated steel webs and compression steel flanges under large combined shear force and bending moment in the hogging area. First, model tests were carried out on two specimens with different shear spans to investigate the mechanical behavior, including the load-carrying capacity, failure modes, flexural and shear stress distribution, and development of concrete cracking. Experimental results show that the interaction of shear force and bending moment causes the failure of specimens. The bending-to-shear ratio does not affect the shear stiffness of a composite girder in the elastic stage when concrete cracking does not exist, but significantly influences the shear stiffness after concrete cracking. In addition, composite sections in the elastic stage satisfy the assumption of the plane section under combined shear force and bending moment. However, after concrete cracking in the tension field, the normal stresses of a corrugated web in the tension area become small due to the “accordion effect,” with almost zero stress at the flat panels but recognizable stress at the inclined panels. Second, three-dimensional finite-element (FE) models considering material and geometric nonlinearity were built and validated by experiments, and parametric analyses were conducted on composite girders with different lengths and heights to determine their load-carrying capacity when subjected to combined loads. Finally, an interaction formula with respect to shear and flexural strength is offered on the basis of experimental and numerical results in order to evaluate the load-carrying capacity of such composite structures, thereby providing a reference for the design of partially encased composite girders with corrugated steel webs (PECGCSWs) under combined flexural and shear loads.     

波形钢腹板的弹性剪切屈曲强度

波形钢腹板的剪切屈曲模式主要包括局部剪切屈曲模式、整体剪切屈曲模式和合成剪切屈曲模式。弹性局部剪切屈曲强度和弹性整体剪切屈曲强度虽然已经有明确的计算公式,但与实际数值结果相比尚存一定偏差,而对于实际桥梁中可能发生的合成剪切屈曲模式则无准确的计算方法。该文首先建立了计算波形钢腹板弹性剪切屈曲强度的有限元模型,用以研究波形钢腹板的剪切屈曲行为。随后讨论了影响弹性剪切屈曲强度的关键因素,同时对已有建议公式的准确性和合理性进行了评价和验证。最后通过大量数值分析,建议了可以综合考虑三种剪切屈曲模式的波形钢腹板弹性剪切屈曲强度计算公式,公式精度较高,可供工程设计参考,同时为进一步研究波形钢腹板的抗剪强度奠定理论基础。结论     

波形钢腹板钢管混凝土模型拱面内极限承载力试验研究

进行了波形钢腹板钢管混凝土模型拱的面内两点非对称和对称加载试验。对模型拱的挠度、钢管应变、波形钢腹板应变、极限承载力等进行了分析。试验结果表明:波形钢腹板钢管混凝土拱是一种受力性能很好的新型组合拱。在这种结构中,波形钢腹板与钢管混凝土弦杆均能发挥其各自的优势。它与钢管混凝土单圆管和哑铃形拱相比,刚度与承载力有了很大提高;与钢管混凝土桁拱相比,避开了节点破坏问题,模型拱呈总体破坏特征,从而使其延性与极限承载力明显提高。有限元分析表明:在承载力分析中应考虑双重非线性的影响。极限承载力简化计算不能采用钢筋混凝土拱的极限状态法,而可以采用钢管混凝土单圆管和哑铃形拱中的等效梁柱法。