波纹钢腹板体外PSC组合箱梁受力性能有限元分析

论文摘要

波纹钢腹板体外预应力组合箱梁是一种新型的钢-混组合结构,充分发挥了混凝土顶底板、波纹钢腹板和体外预应力的各自特性,使得其受力性能有别于一般的预应力混凝土箱梁。对于复杂的波纹钢腹板体外PSC连续箱梁结构,其抗弯性能和抗剪性能是否与简单结构一致,有无其他规律,还有待进一步研究。本文通过非线性有限元对其特殊的受力性能进行了详细的分析计算。（1）使用MIDAS/Civil和MIDAS/FEA对依托桥梁结构分别建立杆系有限元模型和实体有限元模型进行自重和预应力作用下的结构效应分析,两种计算结果误差在5%以内,说明本文建立的模型是可靠的。杆系模型计算准确,但只能进行线弹性的总体效应分析,而MIDAS/FEA非线性分析和细部分析功能强大,可以满足本文计算要求。（2）对波纹钢腹板体外预应力组合箱梁的基本力学特性进行了验证：弯曲正应变在梁高方向的分布符合“拟平截面假定”,在横桥向的分布存在明显的剪力滞现象；而结构的剪应力则基本由钢腹板承担,且沿梁高基本不变。（3）通过对体外预应力筋极限状态应力增量的现有公式进行归纳分析,发现现有公式之间计算结果最大和最小差别超过三倍,而数值分析方法又过于复杂,通过建立有限元模型进行结构抗弯性能全过程分析,即可明确得到体外预应力筋的极限状态应力增量,有限元计算方法可行,计算准确。（4）采用《公路体外预应力混凝土桥梁设计指南规定》中的公式计算该结构截面极限抗弯承载力,并通过非线性有限元分析进行对比计算,发现《规定》的计算结果比有限元小约5%,结果偏于安全。（5）通过改变板厚、板高及考虑初始缺陷,对波纹钢腹板的屈曲性能进行研究,得到如下结论：板厚t对局部屈曲强度的影响较大,板高hW对整体屈曲强度的影响较大；波纹钢腹板板厚变化显著的影响着屈曲强度的大小,2mm的板厚变化对极限荷载的影响超过20%；波形尺寸缺陷则会诱发屈曲的过早发生并导致剪切屈曲极限荷载的降低,规范规定的缺陷限值20mm对极限荷载的影响约为20%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 波纹钢腹板混凝土箱梁的发展过程
• 1.2 波纹钢腹板混凝土箱梁的的特点
• 1.2.1 波纹钢腹板混凝土箱梁的构造
• 1.2.2 波纹钢腹板混凝土箱梁的优缺点
• 1.3 波纹钢腹板的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 存在的问题
• 1.5 论文的主要工作
• 1.5.1 论文的研究背景
• 1.5.2 论文的主要工作
• 第二章 波纹钢腹板体外PSC连续箱梁桥有限元关键技术
• 2.1 波纹钢腹板预应力混凝土箱梁非线性分析理论
• 2.1.1 材料的非线性本构关系
• 2.1.2 几何非线性
• 2.1.3 混凝土和钢筋的本构关系
• 2.1.4 混凝土的破坏准则
• 2.1.5 荷载步定义和收敛标准
• 2.2 有限元模型分析方法
• 2.3 杆系有限元模型建立
• 2.3.1 模型概述
• 2.3.2 截面模拟
• 2.3.3 体外预应力模拟
• 2.4 实体有限元模型建立
• 2.4.1 腹板模型的模拟
• 2.4.2 顶、底板模型的模拟
• 2.4.3 横隔板的模拟
• 2.4.4 体外预应力钢筋的模拟
• 2.4.5 体内预应力钢筋的模拟
• 2.4.6 普通钢筋的模拟
• 2.5 有限元主要计算结果对比
• 2.5.1 自重作用下
• 2.5.2 预应力作用下
• 2.6 本章小结
• 第三章 波纹钢腹板体外PSC连续箱梁桥抗弯性能模拟研究
• 3.1 波纹钢腹板箱梁抗弯特性分析
• 3.1.1 结构全过程挠度分析
• 3.1.2 波纹钢腹板正应力分布
• 3.2 体外束应力增量分析
• 3.2.1 体外束应力增量公式
• 3.2.2 体外束应力增量非线性有限元计算
• 3.3 体外预应力混凝土箱梁抗弯承载力分析
• 3.3.1 抗弯承载力理论公式
• 3.3.2 抗弯承载力有限元分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 波纹钢腹板体外PSC连续箱梁桥抗剪性能模拟研究
• 4.1 波纹钢腹板剪切特性分析
• 4.1.1 波纹钢腹板剪应力分布
• 4.1.2 波纹钢腹板横向变形
• 4.2 波纹钢腹板屈曲性能分析
• 4.2.1 波纹钢腹板的局部剪切屈曲
• 4.2.2 波纹钢腹板的整体剪切屈曲
• 4.2.3 波纹钢腹板的相关剪切屈曲
• 4.2.4 波纹钢腹板屈曲性能有限元分析
• 4.3 板厚对极限抗剪承载力和屈曲模态的影响
• 4.4 初始缺陷对极限抗剪承载力和屈曲模态的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢