预应力钢—混组合箱梁受力分析及设计参数优化研究

论文摘要

在现代桥梁工程中,继钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构以及砖石混凝土结构之后,钢-混组合结构已成为第五大类结构。钢-混组合结构同钢结构相比可以节省用钢量和增强耐久性等,同混凝土结构相比可以大大减轻自重、减小结构尺寸、方便施工。但迄今为止,国内外学者对预应力钢-混组合箱梁研究较少,对其截面参数的取值国内现行的规范也没有明确的规定,这严重影响了预应力钢-混组合箱梁的研究和发展。本文以内蒙古省道216线星光互通连接线跨线桥为背景,对预应力钢-混组合箱梁的力学特性进行分析。同时结合优化设计思想,建立了组合箱梁截面参数优化设计模型,利用MATLAB软件进行设计截面优化计算。1.通过预应力钢-混组合箱梁的抗弯性能、抗扭性能、抗剪性能、稳定性能、箱梁剪力连接件等几个方面的研究,推导了设计变量在界限范围内,满足抗弯、抗剪、抗扭及局部稳定性等性状约束条件的约束方程。2.采用非线性优化理论,通过对截面设计参数优化计算结果的对比分析和归纳总结,给出了预应力钢-混组合箱梁初步设计时,对应于不同参数截面设计变量的粗略优化取值范围。分析了随弯矩、混凝土翼板厚度等,优化设计变量的变化规律和敏感度。给出了优化参数之间的关系,编写了优化设计程序,使该类桥设计更加科学、更为经济。3.通过利用大型有限元程序ANSYS,对预应力钢-混组合箱梁和普通钢-混组合箱梁的力学性能做对比分析,给出在不同跨径,不同腹板厚度情况下,预应力对两种不同结构刚度的贡献。通过设计参数优化的关键技术进行研究,必将为工程建设中的预应力钢-混组合箱梁桥设计、施工提供理论支撑;同时能够解决实际工程设计、施工和维护管理中的关键问题,补充现行规范规程,充分发挥其经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 预应力钢－混组合梁特点
• 1.4 结构优化设计理论
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第二章 预应力钢-混组合箱梁结构理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 预应力钢-混组合箱梁抗弯性能
• 2.2.1 弹性抗弯承载力分析
• 2.2.2 极限承载力分析
• 2.3 预应力钢-混组合箱梁抗剪设计
• 2.3.1 弹性抗剪承载力设计
• 2.3.2 极限抗剪承载力设计
• 2.4 预应力钢-混组合箱梁挠度分析
• 2.4.1 考虑预应力和滑移效应的弹性刚度分析
• 2.5 预应力钢-混组合箱梁抗扭分析
• 2.5.1 箱形组合梁开裂扭矩的计算
• 2.5.2 箱形组合梁极限扭矩的计算
• 2.6 预应力钢-混组合箱梁稳定性分析
• 2.6.1 预应力钢-混组合箱梁的整体稳定
• 2.6.2 预应力钢-混组合箱梁的局部稳定
• 2.7 预应力钢-混组合箱梁剪力连接件
• 2.7.1 剪力连接件的现状
• 2.7.2 栓钉连接件
• 2.7.3 剪力键的构造要求
• 2.7.4 栓钉剪力键的要求
• 2.8 本章小结
• 第三章 预应力钢-混组合箱梁有限元分析
• 3.1 基本假设及模型概述
• 3.2 有限元模型分析
• 3.2.1 工程背景
• 3.2.2 材料参数
• 3.2.3 几何尺寸
• 3.2.4 有限元模型图
• 3.2.5 数据结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 预应力钢-混组合箱梁截面参数优化设计
• 4.1 最优化理论发展概述
• 4.2 优化设计的模型及方法
• 4.3 预应力钢-混组合箱梁的优化方案
• 4.3.1 优化设计变量及目标函数
• 4.3.2 钢筋混凝土桥面板设计参数界限约束
• 4.4 预应力钢-混组合结构理论的设计变量约束方程
• 4.4.1 截面优化设计变量的界限约束
• 4.4.2 箱形截面向工字形截面的转换
• 4.4.3 截面优化设计变量剪应力约束
• 4.4.4 截面优化设计变量变形挠度约束条件
• 4.5 预应力钢-混组合箱梁设计参数优化计算
• 4.5.1 弯矩、剪力变化时设计变量的变化规律
• 4.5.2 组合梁跨径变化时设计变量的变化规律
• 4.6 非线性规划的数学原理和模型
• 4.7 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 进一步研究的建议
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢