带波形钢腹板悬臂挑梁的组合脊骨梁力学性能分析与试验研究

论文摘要

本文对带波形钢腹板悬臂挑梁的钢—混凝土组合脊骨梁新结构进行了一系列试验研究和理论分析，主要包括组合脊骨梁在正载作用下的剪力滞效应、在偏载作用下的扭转特性、预应力大悬臂波形钢腹板组合挑梁受力性能以及组合脊骨梁极限承载力的研究。同时提出组合脊骨梁的实用设计方法，基本上解决了该种新结构在实际工程应用中的计算和分析问题。主要研究成果如下： (1)通过集中正载、均布正载作用下，简支和连续体系组合脊骨梁在弹性阶段的受力性能试验研究，证实了大悬臂组合脊骨梁受弯时存在明显的剪力滞现象，其最大正、负弯矩截面的剪力滞系数可达到1.2～1.35左右，悬臂混凝土翼板在初等梁理论计算中应折减成等效计算宽度，截面腹板应变沿高度的分布基本上符合平截面假定。同时建立了忽略波形钢腹板悬臂挑梁影响的组合脊骨梁剪力滞效应换算弹性模量法分析模型，提出多弹性模量、多剪切转角差函数，并考虑横向预应力影响的组合脊骨梁剪力滞效应计算方法，给出组合脊骨梁中混凝土板的有效分布宽度计算公式，理论计算结果与试验结果、空间有限元分析结果吻合较好。在此基础上进行了大量的参数分析，进一步探讨组合脊骨梁剪力滞效应的影响因素和变化规律，并定量分析了横向预应力对剪力滞效应的影响程度。 (2)带波形钢腹板挑梁的组合脊骨梁为小箱梁、大悬臂结构，截面在偏载作用下的扭转效应十分明显。本文采用乌氏第二定理，通过换算截面法，并在计算整个组合截面的广义主扇性惯矩I时加入大悬臂翼板的广义主扇性惯矩I_k，建立了考虑大悬臂混凝土翼板影响的组合脊骨梁截面刚性扭转翘曲应力和附加剪应力的计算方法。通过单点集中扭矩、两点集中扭矩以及均布扭矩作用下的组合脊骨梁扭转特性试验，验证了采用考虑大悬臂翼板影响的乌氏第二定理来分析组合脊骨梁的扭转效应较为合理，其结果偏于安全，精度可以满足工程要求。试验和计算结果分析发现，组合脊骨梁的约束扭转翘曲应力和腹板附加剪应力占对应弯曲应力的比例较大，扭转附加剪应力甚至超过了弯曲剪应力，故在实际工程设计中应予以特别重视。 (3)对大悬臂波形钢腹板挑梁并排支撑的组合桥面板进行了荷载横向分布和极限承载力的理论分析、空间有限元分析及试验研究，并与平面钢腹板组合挑梁对应的力学性能相比较。采用修正刚接梁法来分析悬臂组合桥面板的荷载横向分布问题，并假设横向分布系数随荷载作用位置的变化沿挑梁纵向呈三次曲线分布，从而可以方便地计算任意位置荷载作用下受载梁的荷载横向分布系数，并作了相应的参数分析。采用有限元方法对两种组合挑梁的极限承载力进行非线性全过程

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 钢-混凝土组合脊骨梁的特点及适用范围
• 1.3 钢-混凝土组合梁的发展与研究现状
• 1.3.1 组合梁的发展
• 1.3.2 钢-混凝土组合梁基本受力性能研究综述
• 1.3.3 组合梁其他方面的研究
• 1.4 钢-混凝土组合梁非线性分析综述
• 1.5 剪力滞效应的研究方法
• 1.5.1 解析理论
• 1.5.2 数值解法
• 1.5.3 钢-混凝土组合梁剪力滞效应研究
• 1.6 波形钢腹板组合箱梁的研究与应用
• 1.7 本文研究思路与主要内容
• 第2章 大悬臂组合脊骨梁的静载试验研究
• 2.1 前言
• 2.2 试验目的和内容
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验内容
• 2.3 试验概况
• 2.3.1 试验模型设计与制作
• 2.3.2 试验材料
• 2.3.3 量测方法
• 2.4 试验加载装置
• 2.5 测点布置
• 2.5.1 脊骨主梁测点
• 2.5.2 组合挑梁测点
• 2.6 加载方案
• 2.7 小结
• 第3章 大悬臂组合脊骨梁的剪力滞效应分析
• 3.1 前言
• 3.2 组合脊骨梁的受力特点
• 3.3 组合脊骨梁剪力滞效应分析
• 3.3.1 组合截面换算
• 3.3.2 位移函数的假设
• 3.3.3 控制微分方程推导
• 3.3.4 常用组合脊骨梁桥型的剪力滞效应求解
• 3.4 组合脊骨梁中混凝土板有效宽度计算
• 3.5 剪力滞效应试验结果分析
• 3.5.1 简支组合脊骨梁剪力滞试验结果
• 3.5.2 连续组合脊骨梁剪力滞试验结果
• 3.6 理论与试验结果对比及参数分析
• 3.6.1 理论计算值、有限元分析结果与试验结果对比
• 3.6.2 组合脊骨梁剪力滞效应的参数分析
• 3.7 小结
• 第4章 大悬臂组合脊骨梁的扭转特性分析
• 4.1 前言
• 4.2 组合脊骨梁扭转分析方法与荷载分解
• 4.2.1 扭转的分析方法
• 4.2.2 组合脊骨梁上偏心荷载的分解
• 4.3 组合脊骨梁扭转分析
• 4.3.1 约束扭转的纵向位移
• 4.3.2 约束扭转正应力
• 4.3.3 扭转附加剪应力
• 4.3.4 约束扭转控制微分方程
• 4.3.5 约束扭转控制微分方程的初参数解法
• 4.3.6 连续组合脊骨梁扭转分析的三翘曲双力矩方程
• 4.4 试验结果和计算结果对比分析
• 4.4.1 纵向翘曲正应力
• 4.4.2 扭转附加剪应力
• 4.4.3 刚性扭转角
• 4.5 算例与分析
• 4.5.1 算例
• 4.5.2 比较与分析
• 4.6 小结
• 第5章 大悬臂波形钢腹板组合挑梁的受力分析
• 5.1 前言
• 5.2 组合挑梁的荷载横向分布
• 5.2.1 解析法-修正刚接梁法
• 5.2.2 空间有限元分析
• 5.2.3 试验、修正刚接梁法和有限元结果对比分析
• 5.2.4 挑梁荷载横向分布的参数分析
• 5.3 组合挑梁极限承载力研究
• 5.3.1 空间有限元分析模型
• 5.3.2 试验现象和破坏形态描述
• 5.3.3 试验与有限元结果的对比分析
• 5.4 波形钢腹板组合挑梁抗弯计算
• 5.4.1 开裂弯矩计算
• 5.4.2 弹性极限抗弯承载力计算
• 5.5 小结
• 第6章 大悬臂组合脊骨梁的极限承载力研究
• 6.1 前言
• 6.2 组合脊骨梁极限承载力试验结果分析
• 6.2.1 试验现象和破坏形态描述
• 6.2.2 试验结果分析
• 6.3 组合脊骨梁极限承载力空间有限元分析
• 6.3.1 空间有限元分析模型
• 6.3.2 结果分析及对比
• 6.4 小结
• 第7章 大悬臂钢-混凝土组合脊骨梁设计方法研究
• 7.1 前言
• 7.2 组合脊骨梁实用设计公式
• 7.2.1 混凝土板有效宽度确定
• 7.2.2 正常使用状态下的应力分析
• 7.2.3 极限抗弯承载力计算
• 7.2.4 极限抗剪承载力计算
• 7.2.5 波形钢腹板组合挑梁计算
• 7.2.6 算例与结果对比
• 7.3 组合脊骨梁构造研究
• 7.3.1 钢箱梁（主梁）构造及形式
• 7.3.2 负弯矩区截面构造
• 7.3.3 横隔板构造
• 7.3.4 波形钢腹板挑梁形式与构造
• 7.3.5 支座处构造设计
• 7.3.6 横向预应力布置
• 7.4 组合脊骨梁施工方法研究
• 7.4.1 施工工艺及流程
• 7.4.2 混凝土桥面板施工
• 7.4.3 施工中采用的措施
• 7.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文