工字形钢-混凝土组合结构双主梁桥扭转性能研究

摘要

工字形钢-混凝土组合结构双主梁桥是由混凝土顶板和两片工字形钢主梁通过横向连接系构成的开口截面组合结构。由于结合了两种材料的优势且便于施工，在中小跨径桥梁中有广泛的应用前景。传统开口截面组合梁桥的腹板形式为平钢腹板，近年来波形钢腹板在闭口组合箱梁中应用广泛且受力性能良好，而在开口截面梁桥中应用不多，所以本文提出了一种用波形钢腹板代替平钢腹板的新型开口截面组合双主梁的形式，并通过与平钢腹板对比，研究腹板形状对组合双主梁整体抗扭性能的影响。以往学者在研究开口截面组合梁的抗扭性能时，多以单主梁为研究对象，忽略了随着钢主梁数量的增加，横向联系和钢主梁间距对组合梁抗扭性能的影响。本文选取开口截面组合梁常用的框架式横联和桁架式横联，研究横联、主梁间距等对组合结构双主梁整体抗扭性能的影响。本文的主要工作和得到的结论如下： （1）以腹板形状和横联构造形式为变量，设计并制作了三根双主梁实验模型，完成了纯扭矩加载实验，得到了各实验梁的裂缝开展和分布形态，受扭全过程的扭矩-扭率曲线，混凝土翼板、钢梁腹板、钢梁下翼缘和钢筋的应力应变分布规律。实验结果表明，组合梁在纯扭作用下，最终以钢筋屈服和45°斜裂缝不断开展延伸，以致混凝土翼板变形过大而破坏。在纯扭作用下，混凝土翼板和钢梁在受扭过程中存在轴向相互约束作用，分别发生约束扭转。横联影响截面内剪力流的分布，对组合梁的抗扭性能有一定影响。波形钢腹板和平钢腹板组合梁的扭矩-扭率曲线的斜率和最大值的差异，证明了腹板形状对组合双主梁扭转刚度和极限承载力有一定影响。 （2）通过与实验结果的比较，找到了能反映实际加载工况的扭矩施加方法，以及能反映组合双主梁在纯扭荷载作用下真实受力性能的钢-混凝土材料界面特性的模拟方法，并建立了各实验梁的有限元模型。通过有限元和实验结果的比较，发现钢主梁的腹板形状和横向联系对开口截面组合双主梁的抗扭性能的影响主要集中在塑性至破坏阶段，波形钢板比平钢板对组合梁抗扭性能的贡献略低，横联的设置会增加组合梁的整体抗扭刚度和极限承载力。 （3）以平腹板横梁连接的工字形组合结构双主梁为基础，以横梁间距、主梁间距、混凝土强度等级和整体配筋率为主要变量，进行有限元参数分析，研究其对组合双主梁整体抗扭性能的影响。结果表明横梁间距对组合双主梁抗扭性能影响不明显，增加主梁间距能够显著增加组合双主梁的开裂扭矩、抗扭承载力和受扭全过程的抗扭刚度，提高混凝土等级能够一定程度上增加组合梁开裂扭矩、抗扭承载力和塑性阶段抗扭刚度，提高混凝土翼板配筋率主要改善组合双主梁塑性阶段受扭性能。

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