港珠澳大桥组合连续箱梁模型试验研究

摘要

钢-混凝土组合连续箱梁结构以其充分利用混凝土抗压和钢材抗拉的材料优势，使结构具有承载力高、塑性和韧性好、施工速度快、经济效果显著的优势，在大跨度桥梁结构中得到了广泛的应用。在建的港珠澳大桥浅水区非通航孔桥分幅方案采用85m连续组合钢箱梁，6～7孔一联，采用大节段整孔吊装、简支变连续体系转换、中支点顶升与回落、中支点纵向预应力张拉等施工工艺，施工过程复杂，施工周期长。
　　 为了研究桥梁施工过程和运营阶段的受力性能，本文采用模型试验与三维空间有限元分析相结合的方法，按照相似理论以应力相似为指标，选取横截面缩尺比例为1∶5，纵向缩尺比例为1:10，设计制作了2×8.5m两跨组合连续箱梁试验模型，模拟了港珠澳大桥组合连续箱梁大节段整孔吊装、简支变连续体系转换、中支点顶升与回落、中支点纵向预应力张拉等施工过程，并对试验模型按照运营荷载的25％、50％、75％、100％、125％、150％进行加载试验，同时对试验模型建立了“混凝土桥面板—剪力件—钢箱梁”精细化有限元模型，获得了试验模型在多级运营荷载作用下的内力与变形特征，为试验模型的试验结果对比分析提供理论依据。
　　 本文的主要内容和结论主要包括以下几个方面:
　　 (1)相似指标推导。结构模型相似理论介绍，以应力相似为指标，考虑结构几何尺寸、模型材料、弹性模量、受力形式等因素，推导相似常数。
　　 (2)试验模型的制作。以港珠澳大桥为实际工程背景，根据推导得到的相似指标，模拟桥梁的各构造细节和施工过程，设计制作2×8.5m两跨连续组合梁，准备组合梁模型试验。
　　 (3)试验模型的仿真分析。对已经设计完成的两跨2×8.5m组合连续箱梁模型试验，运用ANSYS有限元对试验模型进行施工及运营阶段受力仿真分析，获得试验模型在各种工况下受力特性的理论值与变化规律，为组合连续箱梁模型加载试验提供理论依据。
　　 (4)试验模型的加载试验。对模型梁分别在各工况下进行加载试验，验证模型设计的正确性，获得钢-混凝土组合连续箱梁受力及变形特性。
　　 结果表明:本模型试验系统地模拟了港珠澳大桥组合连续箱梁桥的施工过程，模型试验梁的受力性能反映了实际桥梁的受力特征;150％运营荷载各种加载工况显示，钢箱梁腹板应力沿梁高成线性变化，钢箱梁底板应力、上翼板应力和混凝土桥面板应力增量实测值小于理论值，跨中挠度实测值小于理论值，没有发生钢箱梁与混凝土板分离的现象，试验模型没有发生任何破坏，反映试验模型呈现弹性状态，整体性能好，具有很好的工作性能;纤维海洋混凝土能够提高支点负弯矩区混凝土的抗裂性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究的目的意义

1．2 国内外研究现状

1．3 存在的问题

1．4 本文的主要内容

第2章 结构模型相似理论

2．1 桥梁模型试验的特点

2．2 结构模型试验的分类

2．3 计算机仿真分析和模型试验的关系

2．4 相似定理

2．5 方程分析法推导相似指标

2．5．1 集中力时相似方程

2．5．2 线性均布荷载作用时的相似方程

2．5．3 弯矩作用时的相似方程

第3章 组合连续箱梁桥模型设计与制作

3．1 工程概况

3．1．1 总体布置

3．1．2 主梁构造

3．2 相似指标的计算和材料选取

3．2．1 相似指标的计算

3．2．2 钢材的选取

3．2．3 混凝土原材料的选取

3．2．4 混凝土配合比的设计

3．2．5 C60混凝土桥面板的制备

3．3 相似模型设计计算

3．3．1 钢箱梁截面尺寸的设计

3．3．2 混凝土桥面板普通钢筋的设计

3．3．3 桥面板横向预应力筋的设计

3．3．4 中支点截面纵向预应力筋的设计

3．3．5 组合箱梁剪力钉的选用

3．3．6 钢箱梁节段划分和横隔板布置

3．4 钢箱梁的模型制作

3．4．1 底板单元制造工艺

3．4．2 隔板单元制造工艺

3．4．3 腹板和翼板单元制造工艺

3．4．4 梁段制造工艺

3．5 试验台座的制作

3．6 加载反力架设置

3．7 混凝土桥面板的制备

3．8 钢箱梁的拼接、支座顶升和配重

3．9 浇筑中支点处混凝土桥面板、张拉纵向预应力束和支座回落

3．10 试验模型测点布置与加载方案

3．10．1 测点布置与测试系统

3．10．2 加载方案

3．10．3 模型现场加载

第4章 组合连续箱梁模型试验有限元分析

4．1 模型试验有限元分析目的

4．2 试验荷载工况划分

4．3 组合连续箱梁模型空间精细化有限元模型的建立

4．3．1 有限元模型

4．3．2 材料特性

4．4 组合连续箱梁试验模型施工及运营过程有限元仿真分析

4．4．1 试验模型施工工况

4．4．2 各加载工况下剪力钉受力分析

第5章 组合连续梁模型试验结果分析

5．1 跨中截面最大正弯矩对称加载工况(普通海洋混凝土跨)

5．1．1 应力测量结果

5．1．2 跨中挠度测量结果

5．2 跨中截面最大正弯矩偏心加载工况(普通海洋混凝土跨)

5．2．1 应力测试结果

5．2．2 跨中挠度测量结果

5．2．3 钢箱梁与混凝土板相对变形测量结果

5．3 跨中截面最大正弯矩对称加载工况(纤维海洋混凝土跨)

5．3．1 应力测量结果

5．3．2 挠度测量结果

5．4 跨中截面最大正弯矩偏心加载工况(纤维海洋混凝土跨)

5．4．1 应力测试结果

5．4．2 跨中挠度测量结果

5．4．3 钢箱梁与混凝土板相对变形测量结果

5．5 中支点最大剪力对称加载工况

5．6 中支点最大负弯矩对称加载工况

5．6．1 应力测量结果

5．6．2 挠度测量结果

5．7 中支点最大负弯矩偏心加载工况

5．7．1 应力测量结果

5．7．2 跨中挠度测量结果

5．7．3 偏心加载作用下，钢箱梁与混凝土板相对变形测量结果

第6章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文