大跨径钢-混组合梁桥高腹板稳定性分析与试验研究

摘要

钢-混组合梁桥受力合理，跨越能力大，桥面铺装性能好，近年来被广泛运用于大跨径桥梁建设工程。随着桥梁跨径的不断增大，组合梁桥腹板高度不断增加。大跨径钢-混组合梁桥设计高跨比一般为1/20~1/25，当桥梁跨径达到100m以上时，钢腹板高度最高可达9~10m，然而我国现行的桥梁设计规范不能满足高腹板及加劲肋设计和验算的要求，引出了大跨径钢-混组合梁桥高腹板设计新问题。
　　钢-混组合梁桥的混凝土桥面板通过剪力钉与钢主梁进行连接，混凝土桥面板、剪力钉、加劲肋以及钢翼缘均对腹板边界产生弹性转动约束作用，对腹板稳定性有很大影响。目前稳定性理论对腹板边界的简化主要采用简支或嵌固形式，显然，上述简化形式与实际结构不相符。针对大跨径钢-混组合梁桥腹板高、高厚比大、腹板边界约束作用不明确、应力状态复杂的特点，本文采用弹性板件理论、里兹能量变分法、有限元数值模拟和模型试验方法，考虑混凝土桥面板、剪力钉、加劲肋、钢翼缘对高腹板边界的约束作用，获得大跨径钢-混组合梁桥高腹板弹性转动约束系数计算公式，提出弹性转动约束边界的大跨径钢-混组合梁桥高腹板临界屈曲应力计算公式，形成大跨径钢-混组合梁桥高腹板稳定性设计的加劲肋优化设置方法。本文的主要工作与创新性成果如下：
　　（1）提出钢-混组合梁高腹板边界弹性转动约束系数χ计算公式。弹性转动约束系数χ表征为组合翼缘的扭转刚度与腹板抗弯刚度的比，用以描述组合翼缘边界对腹板的相对转动约束的强弱。基于弹性板件理论，考虑发生腹板屈曲时腹板边界与组合翼缘转角相等，将钢翼缘扭转刚度Ct、剪力钉群对称力偶提供的等效扭转刚度Cs与混凝土板的扭转刚度Cc集成钢-混组合翼缘扭转刚度Cz，获得钢-混组合翼缘的弹性转动约束系数χ：此公式省略。
　　由公式可见，剪力钉与混凝土板的存在增大了钢-混组合翼缘的弹性转动约束系数。
　　（2）获得弯曲荷载下考虑弹性转动约束边界的钢-混组合梁高腹板屈曲应力计算公式。考虑钢-混组合梁高腹板上部组合翼缘和下部钢翼缘的弹性转动约束约束系数分别为χt与χ0，假设高腹板的挠曲面 w(x,y)为多项式与三角函数的乘积，基于里兹能量变分法使高腹板的应变能与弯曲荷载所作的功相等，获得弯曲荷载作用下考虑弹性转动约束边界的组合梁高腹板临界屈曲应力方程：此公式省略。
　　式中，系数A1~A7包含了弹性转动约束边界系数χt与χ0。高腹板边界弹性约束系数为0，表明其边界为简支边，当弹性转动边界约束系数逐步增大，弯曲临界屈曲应力也逐步增大，当χt与χ0达到20时，高腹板弯曲临界屈曲应力将趋于一个常数，表明此时组合翼缘边界可认为嵌固边界，理论计算结果与有限元分析结果一致。
　　（3）获得剪切荷载下考虑弹性转动约束边界的钢-混组合梁高腹板屈曲应力计算公式。考虑钢-混组合梁高腹板上部组合翼缘和下部钢翼缘的弹性转动约束约束系数分别为χt与χ0，假设高腹板的挠曲面 w(x,y)为双三角级数，基于里兹能量变分法使高腹板应变能与剪切荷载所作的功相等，获得剪切临界屈曲应力求解矩阵：此公式省略。
　　令上述矩阵行列式为零，获得高腹板剪切荷载下临界屈曲应力τcr。理论计算结果与有限元分析结果一致。
　　（4）剪切荷载下考虑弹性转动约束边界的钢-混组合梁高腹板屈曲应力试验研究。为研究剪切荷载下组合翼缘边界弹性转动约束性能对高腹板抗剪临界屈曲应力的影响，验证本文提出的组合翼缘高腹板抗剪临界屈曲应力计算公式，设置了一组(7片)I字型钢-混组合梁进行抗剪屈曲试验，组合梁长×高为3200mm×900mm，高腹板宽×高×厚为1300mm×800mm×6mm，混凝土板厚度为80mm，上翼缘板宽×厚为400mm×5mm，下翼缘板宽×厚为600mm×10mm；为了研究剪力钉布置方式对组合翼缘边界弹性转动约束系数的影响，设置剪力钉直径和高度为φ10mm×40mm，纵向间距为200mm至500mm，横向间距为30mm至150mm；试验结果表明：高腹板的抗剪临界屈曲应力随剪力钉纵向间距增大而减小、随剪力钉横向间距增大而增大，反应出组合翼缘的弹性转动约束性能对高腹板抗剪临界屈曲应力有直接影响。由本文公式计算获得的抗剪临界屈曲应力与试验值比较一致，误差在1.2％~11.6％之间，验证了本文计算公式的正确性。
　　（5）获得弯、剪复合荷载下考虑弹性转动边界约束的钢-混组合梁高腹板屈曲方程。为研究组合翼缘高腹板在弯、剪复合作用下的屈曲特性，建立考虑组合翼缘弹性转动边界约束的高腹板有限元模型，通过改变高腹板上、下边界弹性转动约束系数χ、弯剪应力比η、弯曲荷载应力梯度λ等参数，进行了4种宽高比高腹板在弯、剪复合作用下的临界屈曲应力计算，将计算结果与我国现行钢结构规范弯、剪复合方程曲线进行对比分析，获得了弯、剪复合荷载下考虑弹性转动边界约束的钢-混组合梁高腹板屈曲方程：此公式省略。
　　与港珠澳大桥钢-混组合梁模型试验结果相比，支点负弯矩区高腹板临界屈曲应力试验结果与计算结果比较一致，误差为2.5％。
　　（6）开展了港珠澳大桥钢-混组合梁桥高腹板稳定性分析。根据港珠澳大桥钢-混组合连续梁桥施工与安装过程，计算分析了15种工况下支点负弯矩高腹板最大抗弯应力σ与抗剪应力τ，利用本文提出的考虑弹性转动边界约束的钢-混组合梁高腹板屈曲方程对其进行稳定性验算，计算结果表明，各种工况下屈曲稳定系数均小于1，说明港珠澳大桥钢-混组合梁负弯矩区高腹板稳定性满足要求，也与我国现行钢结构规范的验算结果一致。
　　（7）获得了考虑弹性转动约束边界的钢-混组合梁高腹板加劲肋优化设计方法。基于弹性板件理论，假设纵向加劲肋位置与刚度，采用加劲肋分隔的子板与与整个腹板同时达到屈曲的原则，考虑组合翼缘边界的弹性转动约束作用，获得了考虑弹性转动约束边界高腹板加劲肋的优化设计方法，明确了高腹板纵向加劲肋的最优设置位置和最小截面刚度。

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第一章 绪 论

1.1研究背景，目的与意义

1.2研究现状

1.3存在的问题及本文的学术思路

1.4本文的研究内容、拟解决的关键科学问题以及创新点

第二章 钢混组合梁腹板边界弹性转动约束系数求解

2.1引言

2.2钢-混组合梁腹板翼缘弹性转动约束系数求解

2.3弯曲荷载下的有限元分析

2.4组合翼缘约束系数模型的有限元验证-混凝土桥面板厚度影响

2.5剪力钉集束式布置的钢-混组合梁腹板屈曲分析

2.6本章小结

第三章 弹性转动约束钢混组合梁腹板弯曲屈曲分析

3.1引言

3.2基于里兹法的弹性转动边界约束板件弯曲临界屈曲应力

3.3.考虑弹性约束的组合梁腹板弯曲屈曲模型的参数分析

3.4有限元数值分析与验证

3.5一些特殊的应用情况

3.6弯曲荷载下钢混组合梁腹板有限元模型屈曲分析

3.7本章小结

第四章 弹性转动约束的钢混组合梁腹板剪切屈曲分析与试验研究

4.1引言

4.2弹性转动约束的板件剪切屈曲理论分析

4.3钢-混组合梁高腹板剪切屈曲试验研究

4.4本章小结

第五章 弯-剪复合下弹性转动边界约束的钢混组合梁腹板屈曲方程

5.1引言

5.2有限元模型建立与敏感分析参数选择

5.3有限元结果与分析

5.4钢-混组合试验梁腹板屈曲与本文拟合结果的比较

5.5本章小结

第六章 港珠澳大桥钢-混组合连续箱梁桥腹板稳定性分析

6.1工程概况

6.2弹性转动约束的大跨钢-混组合梁桥腹板稳定性分析

6.3本章小结

第七章 大跨径钢-混组合梁桥高腹板纵向加劲肋设置方法研究

7.1引言

7.2腹板纵向加劲肋位置的变化对腹板屈曲模态的影响

7.3目前高腹板纵向加劲肋位置设置计算方法

7.4考虑边界弹性转动约束系数的高腹板加劲肋设置的方法

7.5弯曲荷载作用下纵向加劲肋最小刚度的确定

7.6弯曲荷载作用下缺陷对纵向加劲肋最小刚度需求的影响

7.7.本章小结

第八章 结论与展望

8.1.结论

8.2.展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

作者攻读博士学位期间参与的科研项目和工程项目