单箱双室混凝土巨型截面箱梁设计及其抗弯性能数值分析

论文摘要

单箱双室混凝土巨型截面箱梁是在普通混凝土箱形截面梁的基础上,加大其截面尺寸,取消常规设置的横隔板,并在腹板上开设必要的孔洞,以确保箱内车辆通行,使其顶、底板均成为桥面系,从而实现双层交通,使城市桥梁在有限的土地资源及布置空间内极大地提高城市交通的使用效率,符合城市交通可持续发展的要求,为城市多车道公铁合建及城市轻轨、立体交通建设提供新的结构形式。本文重点进行了以下一些研究工作。1.通过大量的调查研究,参考现行相关技术规范以及文献资料,围绕实现双层交通的功能需要,并结合普通混凝土箱形截面构件的特点,综合考虑结构和功能等因素,开创性地设计出能使城市桥梁实现双层交通的单箱双室混凝土巨型截面简支箱梁桥,桥跨60m,高6m,宽跨比0.313,上层桥面设计为公路双向四车道,桥面宽18.8m,下层桥面为公路双向两车道,桥面宽11.0m,为了充分利用箱梁的空间,底板悬挑板两侧各设宽2.0m的人行道,在腹板上设置了逃生孔与通风孔,并在开设孔洞的两侧设环向加劲肋。2.通过选取合适的单元类型和材料模型,采用ANSYS软件对设计的单箱双室混凝土巨型截面箱梁进行数值模拟,对其在各种工况作用下的整体空间应力与位移、局部梁段应力以及孔口附近应力进行分析。分析结果表明:该混凝土巨型截面箱梁的位移与应力水平较低,均满足规范要求,说明其设计较为合理。3.通过施加预应力荷载、上、下层活载以及双层活载等四种荷载工况,研究混凝土巨型截面简支箱梁的剪力滞效应,并对影响剪力滞效应的荷载类型、支撑形式、宽跨比、底板设置悬挑板、加劲肋、腹板开孔以及横向预应力等因素进行了参数分析。分析结果表明:在各种荷载工况下,均存在一定程度的剪力滞现象,不同工况对其影响变化不明显;不同荷载类型对箱梁剪力滞有一定影响,其中集中荷载对跨中截面处剪力滞有较大的影响;宽跨比对剪力滞的影响较大,在设计中应严格控制宽跨比;铰接与固结两种不同支撑形式以及底板是否设置悬挑板作为人行道,对箱梁剪力滞现象影响较小,在设计中可以忽略其影响;设置加劲肋以及在腹板开孔对剪力滞的影响比较明显,在设计中必须考虑其影响;施加横向预应力使得纵向弯曲应力有所减小,对箱梁截面应力有一定的卸载作用,但是对于剪力滞的改善不明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 立项背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 箱形截面梁的国内外研究现状
• 1.2.2 城市桥梁双层交通的国内外研究现状
• 1.2.3 箱形截面梁剪力滞国内外研究现状
• 1.3 课题的提出
• 1.4 研究方法及技术路线
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 混凝土巨型截面箱梁设计
• 2.1 概述
• 2.2 箱梁功能设计
• 2.3 箱梁结构设计
• 2.3.1 截面形式
• 2.3.2 截面尺寸设计
• 2.4 腹板开孔设计
• 2.5 横隔板处理
• 2.6 预应力钢束设计
• 2.6.1 纵向预应力束
• 2.6.2 竖向预应力筋
• 2.6.3 横向预应力筋
• 2.7 荷载与荷载工况
• 2.7.1 荷载
• 2.7.2 荷载工况
• 2.8 本章小结
• 第三章 混凝土巨型截面箱梁有限元数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 ANSYS 在混凝土结构分析中的应用
• 3.3 单元及材料的选取
• 3.3.1 单元选取
• 3.3.2 材料属性
• 3.3.3 材料模型
• 3.4 有限元模型的建立
• 3.4.1 预应力筋模拟
• 3.4.2 建模的关键技术
• 3.4.3 模型的建立
• 3.4.4 加强收敛的措施
• 3.5 有限元分析结果
• 3.5.1 挠度分析
• 3.5.2 截面应力分析
• 3.5.3 整体应力分析
• 3.5.4 局部应力分析
• 3.5.5 孔洞附近应力分析
• 3.5.6 预应力筋应力分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 混凝土巨型截面箱梁剪力滞及其参数分析
• 4.1 概述
• 4.2 混凝土巨型截面箱梁剪力滞现象分析
• 4.2.1 跨中截面剪力滞对比分析
• 4.2.2 四分之一跨截面剪力滞对比分析
• 4.2.3 内支座截面剪力滞对比分析
• 4.3 影响剪力滞现象的参数分析
• 4.3.1 荷载类型的影响
• 4.3.2 宽跨比的影响
• 4.3.3 支撑形式对剪力滞的影响
• 4.3.4 底板设置悬挑板对剪力滞的影响
• 4.3.5 箱内加劲肋对剪力滞的影响
• 4.3.6 腹板开孔对剪力滞的影响
• 4.3.7 横向预应力对剪力滞的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A：硕士学位期间发表的论文及专利成果
• 附录 B：硕士学位期间参与的科研课题及技术服务项目
• 附录 C: 部分混凝土巨型截面箱梁模型分析程序