波形钢腹板-钢管混凝土组合建筑结构箱梁桥的扭转和畸变研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2018-01-30 论文字数:38547字
论文编号: sb2018012313370919462 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文作者提出的波形钢腹板—哑铃型钢管混凝土组合结构是一种新型的组合结构形式,没有现有的理论支持,所以为了确定该种结构是否能够应用于实际工程,为以后的桥梁发
第 1 章 绪论
 
1.1 波形钢腹板组合箱梁桥的发展现状
桥梁是路线规划建设中重要的组成部分。伴随着交通工具的变化,其对桥梁的承载力、跨度等各个方面都提出了新的要求,从而也直接的促进了桥梁工程技术的发展。在 19 世纪初铁路出现之前,桥梁的建造材料基本都是以木材和毛石为主,而钢材的使用还不是特别普遍。伴随着科学以及工业技术的发展,桥梁建造也在实践中积累了丰富的经验,因此就创造出了多种多样的结构形式。到 19 世纪末,由于结构力学理论知识的完善、钢材产量的增大、桥梁建造技术的日趋成熟,使得桥梁工程获得了迅猛的发展[1]。就桥梁工程发展到现在为止,桥梁建造的材料基本上以混凝土和钢材为主。而对于这两类材料,其各有各的优缺点:混凝土材料来源广泛、资源丰富、可以有效降低了建造成本;除此之外,其具有较高的强度以及耐久性、抗压性能好、施工工艺简单、可模型好。但是混凝土结构的缺点也同样显著:其具有自重大、养护周期较长、不耐高温、抗拉抗弯性能差、拆除后再生利用性能较差等缺点。对于另一种常用的钢结构材料而言同样也有优缺点:钢材通常具有很好的物理力学性能、材质均匀、安全可靠度高;强度高、塑性、韧性好;工业化水平高,施工工期快。缺点是: 钢材耐热不耐火、易锈蚀、耐腐性差;而且由于材料截面较小,超出规定的长细比范围容易失稳而发生屈曲变形;另外造价也比较高。综合来分析,其各自的材料都有各自的可取之处,所以在结构的发展过程中就出现了将两种材料相互组合的做法,从而创造出了另一种新的组合结构。19 世纪末期出现的钢筋混凝土结构就是最简单的组合结构。由于钢筋和混凝土这两种材料的线性膨胀系数十分接近,当温度变化时混凝土和钢筋之间不会产生较大的相对变形而破坏两者间的粘结[2],为满足两种材料共同受力创造了前提条件。当然就现在来说由于该种结构在现实中的应用广泛度极高,钢筋混凝土结构已经被独立的列为一种结构形式,而不是作为钢-混组合结构中的一种。
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1.2 波形钢腹板组合箱梁桥的结构特点
波形钢腹板组合箱梁桥通常是由以下几部分组成的,包括波形钢腹板,钢筋混凝土顶板,钢筋混凝土底板,混凝土横隔板,体内预应力钢筋束和体外预应力钢筋束[17],其结构示意图如下图 1.13 所示。该种组合粱最大的不同就是用波形钢腹板取代了传统的钢筋混凝土腹板,在一定程度上降低了梁体的自重,同时由于波形钢板的褶皱形构造,使得腹板的抗剪承载力得以提高[18],但是这种薄钢板的褶皱构造也使得沿梁体纵向的抗弯刚度以及整个梁身的抗扭刚度有所下降。以下将对该种桥型的结构特点进行详细的介绍。作为该类组合桥梁结构重要的组成部分,波形钢腹板一般都是在远离施工现场的预制车间进行前期的预制加工,之后再运输到施工现场进行拼接,安装。就目前来说波形钢腹板腹板段间的连接方法分为焊接和高强螺栓连接两种[20]。根据《组合梁结构用波形钢腹板标准》的规定,目前我国使用的波形钢腹板主要有三种型号:1000 型、1200 型和 1600 型,如下图 1.15 所示。同时规范规定了波形钢腹板的具体构造要求:转角处厚度不能小于板厚的 15 倍,若不符合一定标准,可适当调整转角半径;对于板厚的要求,其最小厚度不小于 8mm,最大厚度根据计算结果及规范规定确定,一般不超过 20mm。现实桥梁的设计中,波形钢腹板的直板段、斜板段长度一般相同,波高与斜板段长度的比值范围在 0.4~0.6 之间[21]。
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第 2 章 箱梁结构相关的扭转分析理论
 
2.1 桥梁结构的静力分析概述
桥梁的静力分析是其相关工程设计的重要环节。在桥梁方案的比选、开始设计阶段工程人员一般都会按照静力分析的结果来初步的制定桥梁的总体布置、结构尺寸以及对工程造价进行初步的估算。在施工图的设计阶段,静力分析的结果往往也会成为结构设计的主要依据[41]。在我国桥梁结构发展的早期阶段,其工程结构规模相对比较小,桥梁的跨径不大,所以进行一般的桥梁设计时大多数都会采用线弹性静力的分析方法,这种分析方法不用考虑结构在受力达到塑性变形之后的非线性变形,所以受力分析较为简单,对于那些构造比较简单而且设计荷载比较小的桥梁,一般情况下都会满足工程验算要求。但是近几十年以来,随着我国桥梁工程技术的迅速发展,陆陆续续的建成了一大批的大跨径桥梁,随着桥梁跨径的增大,以及桥梁设计荷载的增加,其非线性的受力特征也就更为突出。随着计算机水平的不断提高和普及,以及有限单元法理论知识的逐步成熟,在大量科研人员的共同努力下,涌现出了各种各样的有限单元分析软件,如 ANSYS、ABAQUS、SAP、MIDAS 等。这些软件在我国桥梁工程以及其他一些类型的结构工程的非线性静力分析中都得到了广泛的应用。桥梁结构作为受弯构件,其主要的受力分析分为正截面的受弯承载力分析,以及斜截面的受剪承载力分析[42]。与此同时,桥梁结构由于其上部汽车荷载以及人流荷载等活荷载分布的不确定性和不均匀性,容易对桥梁产生偏心荷载作用,从而产生倾覆力矩,所以在一般的桥梁荷载静力分析时也会对结构的受扭承载力进行详细的分析。而与一般的普通混凝土腹板箱梁相比,由于该种新型结构箱梁的波形钢腹板的特殊结构构造,使得其截面内抗扭刚度有所减小,使得其扭转产生的翘曲应力效果更为明显。为了更为深入的研究这种新型结构箱梁的扭转畸变效应,作者将着手对该种结构的受扭理论进行研究,分析出波形钢腹板—哑铃型钢管混凝土新型组合结构桥梁的在受到偏心荷载作用下的扭转畸变效应,从而为该种结构的现实应用提供理论依据。
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2.2 抗扭分析理论
当箱梁结构在承受偏心荷载的作用时,结构就会发生扭转变形。普通箱梁结构的钢筋混凝土板腹具有较大的抗扭刚度,且其腹板结构和上下底板结构一起构成的空间框架结构,能够很好的限制结构的扭转变形。但是对于波形钢腹板箱梁桥,由于其采用了以薄钢腹板替代钢筋混凝土厚腹板的构造形式,使得结构整体的抗扭转承载力大大减弱,所以要对波形钢腹板箱梁桥在偏心受压作用下的扭转变形给予足够的重视[43]。对于在偏心作用下箱梁结构的扭转变形问题,往往在其刚性扭转变形过程中还伴随着截面范围内畸变作用的产生。通常在箱梁受力研究过程中,将作用于梁身的偏心荷载等效成对称荷载和反对称荷载两种荷载形式,而反对称荷载又可以分成畸变荷载和刚性扭转荷载[44],具体的荷载分解过程如下图 2.1 所示。
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第 3 章.有限元对比验算分析........29
3.1 有限元软件的选择..............29
3.1.1 有限元的原理...........29
3.1.2 有限元结构计算步骤..........29
3.1.3 空间有限单元软件 MIDAS/FEA......30
3.2 有限元 MIDAS/FEA 工程算例验算............30
3.3 组合结构截面设计..............37
3.4 有限元建模....39
3.5 有限元计算结果与实验结果的对比........40
3.6 本章小结........43
第 4 章.有限元实桥模拟扭转畸变分析..............45
4.1 扭转和畸变的分析思路......46
4.2 扭转和畸变效应分析..........50
4.3 等跨径传统波形钢腹板组合箱梁的扭转和畸变分析.............614.
4.4 两种组合结构箱梁桥的扭转和畸变效应的对比分析.............64
4.5 本章小结........66
第 5 章.结构参数对新型组合结构箱梁的影响.............67
5.1 建模过程........67
5.2 结构几何参数的分析..........68
5.3 本章小结........76
 
第 5 章 结构参数对新型组合结构箱梁的影响
 
根据前一章的研究,该种新型波形钢腹板-哑铃型钢管混凝土组合箱梁桥在偏心荷载作用下,容易产生约束扭转以及畸变效应,对于组合结构而言,扭转畸变性能一般跟结构各部件的几何参数有关系。扭转畸变效应是一个复杂的过程,其效应作用的结果通常取决于组合箱梁的板厚度、组合梁各板的宽度、箱梁的高度、截面的框架刚度以及翘曲刚度等各方面的因素。对于这些决定因素的研究有助于我们对整个新型组合结构箱梁的扭转以及畸变效应有一个更为系统的认识。
 
5.1 建模过程
 
5.1.1 模型的建立
作者选用上一章中的结构截面形式进行建模分析,但是由于连续三跨的连续梁构造分析相对较为复杂,所以对于本章中的模型作者只选取了上述结构的一跨长度进行简支梁分析,这样的选择可以简化分析的过程,同时可以达到相应的分析结果。该模型跨长为 32m,梁高为 4.4m,顶板宽度为 12m,截面布置形式如上一章图 4.1 所示。建模过程选用 MIDAS/FEA 有限元分析软件进行实体模型分析,具体的模型如下图 5.1 以及图 5.2 所示。通常结构的几何参数类别很多,但是由于篇幅所限在此不能一一列举并进行分析,所以作者只选取相对重要的几类结构参数来分析,得出其各自变化的规律对组合结构梁的扭转以及畸变效应的影响[69]。所选的几何参数分别为腹板的倾角θ、波形钢腹板的板厚、高跨比、波形钢腹板横板段宽度以及波形钢腹板的弯折角度。
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结论
 
本文主要对新型组合结构波形钢腹板-哑铃型钢管混凝土箱梁桥的扭转和畸变效应进行相关的分析研究。首先对波形钢腹板的发展过程、国内外研究现状、结构优缺点以及相关力学性能进行了简要的介绍。除此之外,着重的介绍了这种新型组合结构的提出过程,以及相比于传统的波形钢腹板组合结构,其在构造方面的优点和两者在抗扭转和畸变方面的不同之处。在理论计算方法上作者以国内外有关传统波形钢腹板组合结构箱梁的扭转和畸变的计算方式为依据,类比出了该种新型组合箱梁的近似计算方法,然后将理论计算结果与空间有限元软件MIDAS/FEA 的模拟计算结果进行对比,确定出了理论计算结果和模拟分析结果的一致性,进而证明了作者所采用的分析以及建模方法的正确性;除此之外对新型结构箱梁桥的实体模型进行不同荷载工况下的加载模拟,得出了这种组合结构连续梁桥扭转和畸变效应的一般规律;最后分析研究在不同结构参数变化情况下其对该种新型组合结构梁桥的扭转和畸变效应的影响,从而得出有效改善该种组合结构箱梁桥抗扭畸变性能的最佳结构尺寸范围,为以后的此种类似桥梁结构的受力分析提供参考依据。本文对扭转和畸变的研究方法引入了放大系数的概念,及将偏心荷载作用下产生的正应力、剪应力、挠度值扣除对应正载作用下产生的值,然后与正载的弯曲效应值作比值,从而分析该种组合结构箱梁的扭转和畸变效应。利用扭转和畸变正应力、剪应力以及挠度的放大系数的研究方法可以较为简单、直观的反映出其结构扭转畸变效应的大小程度。除此之外,作者还分析计算了与该种新型组合结构相同跨径的传统组合结构箱梁的扭转和畸变放大系数,从而与之进行相应的对比分析.
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参考文献(略)

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