钢板—混凝土组合梁桥截面优化研究

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钢混组合结构发展于钢结构与钢筋混凝土结构的基础之上,将钢材与混凝土材料组合在一起共同工作,按照所处截面位置的不同,充分发挥钢材抗拉强度高、混凝土抗压性能好的优点,钢-混组合梁已成为结构工程中最主要的横向受力构件之一。其不仅可以快速、标准化施工,而且符合国家生态环保理念,更具有经济性,对我国桥梁事业的发展具有重要的意义。本文依托某钢板-混凝土组合梁桥工程实例,对截面参数进行设计,通过有限元软件仿真模拟,得出钢板-混凝土组合梁桥截面设计影响因素的变化规律并给出具体的截面参数设计取值范围,从而为设计人员提供参考。主要得出以下结论:(1)在考虑高跨比改变而保持高厚比不变的情况下,当高跨比从1/26减小到1/27时,在铺设混凝土板阶段,钢板梁上缘所受应力增量以及挠度变化增量出现突变,这说明1/26是高跨比的临界值,建议设计时考虑高跨比取值不低于1/26。(2)从不同施工阶段来看,当考虑高跨比而不考虑高厚比时,出现应力增量突变。当同时考虑高跨比与高厚比时,此时钢板梁的应力增量保持平稳变化,并比前者小很多。建议在设计时考虑高跨比的影响时同时也要注意高厚比的影响,可在降低梁高的同时,对腹板增加一定的厚度。(3)随着高跨比的减小至1/27,钢板梁上缘所受应力增量远远大于其下缘,这说明钢板梁上缘更易受到破坏。故在设计时,如果减小高跨比,建议增大钢板梁上缘板厚度。(4)在宽厚比11~13的范围内,钢板梁的稳定系数及屈曲稳定分析荷载系数变化规律最为接近,当宽厚比小于11时,钢板梁的稳定系数、荷载系数稍微有所增加,但增加量很低,这说明过度增加翼缘板的厚度会造成经济上的浪费。当宽厚比大于13时,钢板梁的稳定系数大幅度降低,且降低的幅度随着翼缘板厚度的减小而增大。所以针对35m中小跨径的钢混组合梁桥设计时,可以取宽厚比11~13。(5)跨中位置处的钢板梁的上翼缘板应力随着宽厚比的不同在整个翼缘板上呈不同的分布形式,当宽厚比为8时,其Von Mises Strain最大值分布靠近桥梁中线一侧,随着宽厚比的变大,其Von Mises Strain最大值分布逐渐扩展至桥梁外侧,逐渐覆盖整个翼缘板。当宽厚比在11~13的范围时,其分布面积的变化量保持一致,当宽厚比大于13时,此时Von Mises Strain最大值分布面积增量开始大幅提升。这说明,当从Von Mises Strain最大值分布面积来考虑翼缘板抗压能力时,可以取宽厚比为11~13(6)当宽厚比为11时,此时腹板厚度从24mm增加到26mm,其应力下降的幅度基本趋于稳定,保持0.4mm,而当腹板厚度大于26mm时,应力下降的幅度越来越小,考虑到经济性,腹板厚度可以取24mm~26mm。当宽厚比为12时,当腹板厚度从26mm增加到28mm,其应力下降的幅度基本趋于稳定,保持0.5mm。当宽厚比为13时,与宽厚比为12时的应力变化规律保持一致,即当腹板厚度在26mm~28mm之间时趋于稳定。可以得出宽厚比为11,取腹板厚度24mm~26mm;宽厚比为12、13,取腹板厚度26mm~28mm。(7)在架梁阶段,采用等间距布置时,钢板梁与横向联系自身所受应力与挠度与加密布置相比较小;在铺设混凝土板阶段,当采用加密布置时,钢板梁与横向联系自身所受应力与挠度相比于等间距布置时较小,但其差值可以忽略,考虑到模板均匀受力,在设计时,可考虑采用等间距布置横向联系。
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