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组合梁桥是利刚剪力连接件将钢梁和钢筋混凝土桥面板连接起来共同受力的一种桥型,它是一种富有创新空间的结构形式。体外预应力组合梁桥便是组合梁桥与体外预应力先进技术相结合一种结构形式,具有较组合梁桥更加优良的结构性能。然而,由于理论不够完善、规范不够成熟、知识不普及、施工方法较繁琐等原因,组合结构及预应力组合结构桥梁在实际工程中的应刚并不广泛。因此迫切需要对其受力性能进行研究。
本文对组合梁及体外预应力组合梁桥的抗弯性能进行了较为系统的理论分析、试验研究及工程应用研究,主要研究工作和成果如下:
(1)综述了国内外关于组合梁桥和预应力组合梁桥的理论和试验研究现状,指出若干研究热点和存在的问题,提出了需要深入研究的问题。
(2)对钢与混凝土之间连接形式进行了综述和总结,介绍了几种新型剪力连接件的特点,重点研究了栓钉连接件的受力性能,提出借鉴桩基处水平承载能力计算方法来研究栓钉剪力连接什受力性能的新思路,对栓钉受力性能进行了初步的理论探讨。
(3)在对国内外关丁钢一混凝士组合梁受弯计算综述的基础上提出了普通钢-混凝土组合梁抗弯计算的新方法-组合系数法,该法有别于传统的换算截面法和折减刚度法,可以方便的考虑剪力连接程度对组合梁挠度、应力应变分布以及特征荷载的影响,且具有形式简单、物理意义明确的特点,与试验和其它公式的计算结果比较表明组合系数法计算结果具有足够的工程精度和理论上的正确性。
(4)提出了体外预应力钢.混凝土组合梁中体外预应力筋应力的计算方法,包括预应力损失及应力增量的计算方法。对于预应力损失重点研究了与一般预应力混凝土结构不同的锚同损失和摩擦损失的计算方法,提山了相应的计算公式,通过试验,测得了试验梁预应力筋与转向块的摩擦系数,可为工程应用提供借鉴。对于应力增量的计算,提山了基于挠度的新方法,并与国内外的试验进行对比,表明该方法具有足够的计算精度。
(5)基于组合系数法和预应力筋应力的计算方法,建立了体外预应力钢一混凝土组合梁的计算方法,该方法适用于程序计算。用丁手算时,可不进行迭代,计算精度能够满足工程需要。
(6)对体外预应力组合连续梁的次弯矩、内力重分布进行了研究,提出了体外预应力组合连续梁的计算方法,可供实际工程参考。
(7)进行了4根受止弯矩作用和2根受负弯矩作川的体外预应力钢.混凝土组合箱形截面简支梁静载全过程试验研究。对体外预应力组合箱梁的荷载.挠度曲线、裂缝开展情况、钢与混凝十交接面的粘结滑移性能、体外预应力筋的应力增量等特性进行了较系统的试验研究,为体外预应力组合箱梁桥的应川提供了一定的试验依据。
(8)对试验梁进行了非线性有限元分析研究。根据栓钉连接件和体外力筋的模拟方法不同,建立了2种计算模型,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,指出了不同计算模型的优缺点和适用范围。利用空间有限元模型对影响组合梁和体外预应力组合梁性能的基本参数进行了分析,主要研究了剪力连接件的数量、剪力连接件的高度、组合梁混凝土截面和钢梁截面高度比等参数性能的影响,指出了合理的栓钉布置数量和栓钉的长细比要求,提出了组合梁的两种破坏形态“类似适筋梁的延性破坏”和“类似超筋梁的脆性破坏”,并提出了避免“超筋脆性破坏”的混凝土翼板厚度建议。
(9)对一座三跨连续钢-混凝土组合梁桥进行了施工全过程的数值模拟,与现场实测结果比较,验证了组合梁桥的优越性能,并对该桥的性能做出了评价。