波形钢腹板组合箱梁腹板受力分析与试验研究

摘要

波形钢腹板混凝土组合箱梁是将较厚的混凝土腹板用波形钢腹板取代，从而形成一种受力更加合理的箱梁。因波形钢腹板组合箱梁腹板的手风琴效应，使腹板纵向刚度减小，以致腹板纵向应力很小。本文采取理论、有限元和试验相结合的方法，深入系统地研究了波形钢腹板箱梁腹板的纵向等效刚度和纵向受力情况，并与箱梁上下缘混凝土纵向应力对比分析，主要工作和研究成果如下：
　　（1）首先对波形钢腹板基于单位力法，理论推导波形钢腹板纵向等效刚度的计算公式，从而分析国内外几座波形钢腹板梁桥腹板的纵向等效刚度之比，结果表明波形钢腹板纵向刚度远小于等截面直钢腹板的纵向刚度，使得很大程度提高了预应力的作用效率，减少体外预应力束的布置。
　　（2）在不考虑顶底板混凝土结构与钢腹板的相对滑移的基础上，利用等效刚度计算时腹板的受力分析，将波形钢腹板分解为直腹板段和斜腹板段的矩形长薄板，并赋予适当的边界条件，基于矩形薄板弯曲理论和矩形薄板作用集中力的圣维南原理，利用三角级数计算方法，推导出波形钢腹板纵向受力公式。
　　（3）根据钢腹板纵向受力计算公式计算模型的腹板受力情况，结合有限元 Ansys建立相应的有限元模型进行对比分析；结果表明：首先当腹板两端单独作用相等集中力时，两端纵向应力最大（纵向应力与翼缘混凝土纵向应力之比约等于彼此弹性模量比），其最大应力很快衰减到最小并趋向于0；其次当腹板两边作用均布弯矩时，在腹板宽度方向的中部（ x=0），直腹板表面弯曲应力沿腹板高度先增大后减小，在腹板高度1/4处趋于稳定，由于斜腹板在宽度方向的中部弯矩作用应力为0，则只表现出腹板两端作用集中的纵向应力。最后由于有限元计算结果与理论推导吻合良好，应用有限元分析波形钢腹板变参数对直腹板纵向弯曲应力的影响，结果发现，直腹板中部最大弯曲应力随腹板厚度增加呈线性增加，而随直腹板宽度和波高增加而呈曲线减小。
　　（4）根据试验梁所测数据与相应有限元模型和理论计算结果对比分析，进一步验证波形钢腹板理论推导的准确性和实用性。首先计算试验梁腹板的等效刚度，其纵向等效刚度大于一般实例中波形钢腹板箱梁的纵向等效刚度；其次对比分析腹板纵向应力，结果显示三者对比吻合良好，并且腹板中部最大弯曲压应力接近上下缘混凝土纵向应力值，可见腹板表面纵向应力并不是小的可以忽略不计，这为波形钢腹板箱梁腹板设计提供了理论计算基础。

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1 绪论

1 .1 波形钢腹板组合箱梁的发展历程

1 .2 波形钢腹板组合箱梁的结构特点

1 .3 波形钢腹板组合箱梁腹板力学性能的国内外研究现状

1 .4 本文的主要研究工作

1 .5 本章小结

2波形钢腹板组合箱梁腹板力学性能研究的基本理论

2 .1 概述

2 .2 波形钢腹板箱梁腹板等效刚度的计算

2 .3 矩形薄板的受力分析

2 .4 矩形薄板作用集中力的圣维南原理

2 .5 波形钢腹板组合箱梁腹板受力分析

2 .6 本章小结

3 波形钢腹板组合箱梁腹板有限元分析

3 .1 概述

3 .2波形钢腹板ANSYS有限元模型的建立

3 .3有限元计算结果与理论计算结果对比分析

3 .4波形钢腹板形状尺寸变化对腹板应力的影响

3 .5 本章小结

4 波形钢腹板组合箱梁腹板受力的试验研究

4 .1 概述

4 .2 试验梁的设计

4 .3 试验梁的制作及测点布置

4 .4 波形钢腹板等截面简支箱梁的试验测试

4 .5 波形钢腹板箱梁腹板受力分析

4 .6 试验研究结论

5 结论与展望

5 .1 结论

5 .2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果