组合桁腹梁桥桁-箱等效理论研究

摘要

组合桁腹梁桥是近些年国内外工程运用较多的一种组合结构的桥梁类型，该桥主要由混凝土顶底板、体内（外）预应力钢筋和斜腹杆组成。相比于以往的混凝土箱梁，该桥型可以避免混凝土腹板的开裂，进一步减轻自重，从而实现更大的跨度。目前国内、外理论和试验研究偏重于节点连接，对整体受力分析的研究偏少，并且由于该桥型杆件众多，结构不连续，荷载在两种不同的材料中传递，因而结构受力分析具有很大的难度，影响了该种桥梁的发展。本文提出将钢腹杆等效成混凝土腹板的方法对桥梁结构进行力学性能研究，通过理论推导的方法，提出了组合桁腹梁桥的斜腹杆等效厚度计算方法、考虑剪力滞效应的弯曲理论、考虑不同部件的抗剪分配率的剪切理论和约束扭转的计算理论，最后通过有限元计算结果验证了本文提出的计算理论的准确性，最终形成了组合桁腹梁桥桁-箱等效理论，本文主要的研究工作和成果如下： 1.基于等效前后剪切应变能和剪切变形相等的原则，推导了组合桁腹梁桥斜腹杆等效为钢腹板的计算公式。基于剪切应变和剪力相等的原则，推导了将钢腹板转换为与混凝土腹板的计算公式。通过上面两步的转换，将原结构不连续的桁架等效为连续的混凝土腹板，形成一个具有封闭的断面的类似箱梁结构，进而可以用比较完善的箱梁理论进行等效后结构的受力性能研究。 2.在等效理论基础上，选取了合适的剪力滞翘曲位移函数。根据虚功原理和最小势能原理推导出了组合桁腹梁桥的剪力滞微分方程，得到了组合桁腹梁桥的剪力滞效应、竖向挠度和斜腹杆的轴力计算公式，分析了不同加载位置对剪力滞效应的影响，考虑在不同几何参数下对组合桁腹梁桥剪力滞的影响，得到了桥面板有效宽度的计算公式。最后与实际有限元模型进行对比分析，验证了该理论的准确性。 3.考虑混凝土顶、底板轴力平衡，斜腹杆和等效的混凝土腹板只受剪不承担弯矩和轴力作用。建立了组合桁腹梁桥的剪切应力微分方程，得到了等效混凝土腹板的剪切应力计算公式，得到了斜腹杆承担的剪力，最后计算出抗剪分配率。通过与有限元计算结果对比验证本文的理论推导的正确性。其中斜腹杆的抗剪分配率在0.7左右，混凝土桥面板抗剪分配率在0.2~0.3，设计中不考虑混凝土桥面板的抗剪作用，只考虑斜腹杆的抗剪是偏安全的。 4.根据受力平衡建立了等效后薄壁箱梁结构的约束扭转剪应力的计算公式，得到了一端固定一端施加集中扭矩下的横截面扭转角、翘曲程度、双力矩和翘曲扭矩的计算公式，推导了斜腹杆轴力的计算公式，并计算了扭转特征参数。通过与有限元对比验证表明本文理论计算的准确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外工程运用

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 存在问题及选题意义

1.5 主要工作内容及技术路线

第2章 组合桁腹梁桥桁-箱等效理论研究

2.1 概述

2.2 结构应变能

2.2.1 弹性构件的物理方程

2.2.2 结构的应变能

2.3 钢腹杆连续化等效钢板厚度计算

2.4 钢腹板换算成混凝土腹板厚度计算

2.5等效厚度有限元验证

2.6钢管混凝土等效计算

2.7本章小结

第3章 组合桁腹梁桥弯曲性能研究

3.1 概述

3.2 简化模型及基本假设

3.2.1 简化模型

3.2.2 基本假设

3.3 弯曲变形理论

3.3.1 剪力滞基本微分方程的推导

3.3.2 剪力滞基本微分方程的求解

3.3.3 边界条件的确定

3.4 组合桁腹梁桥剪力滞效应计算

3.4.1简支梁跨间作用集中荷载

3.4.2简支梁跨间作用均布荷载

3.4.3简支梁跨间作用二点对称集中荷载

3.5 剪力滞效应分析

3.5.1 有限元建模

3.5.2 跨中作用集中荷载

3.5.3 满跨作用均布荷载

3.5.4 三分点作用对称集中荷载

3.5.5 加载位置对剪力滞的影响

3.5.6 不同几何参数对剪力滞的影响

3.6 桥面板有效宽度计算

3.6.1有效宽度理论公式

3.6.2有限元分析

3.7 斜腹杆轴力计算

3.7.1 斜腹杆轴力理论公式

3.7.2 有限元分析

3.8竖向挠度计算

3.8.1挠度理论公式

3.8.2有限元分析

3.9本章小结

第4章 组合桁腹梁桥剪切性能研究

4.1 概述

4.2 剪切应力微分方程的建立与求解

4.2.1跨中作用集中荷载

4.2.2满跨作用均布荷载

4.2.3跨间作用对称集中荷载

4.3抗剪分配率计算

4.4有限元分析

4.5抗剪验算

4.6本章小结

第5章 组合桁腹梁桥扭转性能研究

5.1 概述

5.2 分析方法和基本假设

5.3 组合桁腹梁桥扭转性能研究

5.3.1 自由扭转分析

5.3.2 约束扭转分析

5.3.3 约束扭转剪力流

5.3.4 β(x)函数的确定

5.3.5 约束扭转微分方程建立与求解

5.4 斜腹杆轴力计算

5.5 扭转特征参数计算

5.6 有限元分析

5.6.1有限元建模

5.6.2 弯曲、扭转特征参数计算

5.6.3理论计算结果验证

5.7本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要研究工作与结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读硕士研究生期间取得的研究成果

致谢