曲线钢-混凝土组合箱梁桥的长期受力性能

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曲线钢-混凝土组合箱梁桥充分利用了材料性能,将钢和混凝土两种材料性能通过剪力连接件组合成整体共同参与受力,具有自重轻、抗扭刚度大、跨越能力强、施工周期短等优点。但是由于曲线钢-混凝土组合箱梁桥的特殊几何形式,其复杂弯扭耦合受力行为有别于普通钢筋混凝土直线梁桥的受力行为,其随时间发展的演化特征显著影响全桥的时间依存受力行为。论文针对曲线钢-混凝土组合箱梁桥的弯扭耦合受力行为及其长期受力性能开展了较为系统的研究工作,取得如下研究成果:(1)针对曲线组合箱梁的长期受力性能,对5根曲线组合箱梁开展长期堆载试验,量测其挠度、扭转角、界面滑移和截面应变分布等指标随时间的发展规律。通过改变试件参数,分析圆心角、栓钉布置、加载方式、边界条件等因素对结构长期受力行为的影响。在与结构试件相同的环境条件下进行了混凝土试块的材性试验,量测混凝土收缩应变和徐变函数随时间的变化曲线。通过上述试验研究揭示曲线组合箱梁内力和变形随时间发展的变化机理,为后续关于曲线组合箱梁理论模型和数值模型的研究提供参考。(2)针对曲线组合箱梁复杂的弯扭耦合受力特性,基于Vlasov梁理论模型提出了曲线组合箱梁考虑约束扭转、畸变、剪力滞和界面双向滑移的一维理论模型。通过曲线组合箱梁长期加载试验结果,验证了模型的准确性和适用性。采用模型以曲线组合箱梁的挠度、扭转角、畸变角、界面滑移和截面应力分布等指标为重点研究参数,对曲线组合箱梁的受力行为及其参数敏感性进行了深入分析,最后针对曲线组合箱梁上部结构的圆心角、界面剪力连接刚度和横隔板数量等关键设计参数提出了相应的取值建议。(3)基于已提出的一维理论模型引入混凝土收缩应变、徐变函数与时间的本构关系,提出曲线组合箱梁考虑约束扭转、畸变、剪力滞、界面双向滑移和时变效应的一维理论模型。依据此一维理论模型,在空间域上采用有限单元方法,在时间域上采用基于Kelvin流变模型的不存储应力和应变历史的逐步计算法,提出了曲线组合箱梁考虑复杂空间力学和时变效应的2节点26自由度有限梁单元模型。通过曲线组合箱梁长期加载试验结果验证了模型的准确性和适用性。利用该模型研究了曲线组合箱梁受力行为随时间发展的变化规律。以曲线组合箱梁上部结构关键设计参数为分析参数,提出了其短期设计和长期设计相关参数的取值建议。(4)将经长期加载后的曲线组合箱梁卸载,并对其进行破坏性加载试验。试验以圆心角、剪力连接程度和正弯矩/负弯矩受力状态为参数,试验量测了挠度、扭转角、界面滑移和截面应变分布等指标随荷载增加的变化情况。同时,对三个曲线组合箱梁试件建立了相应的精细有限元分析模型,结合试验数据和模型计算结果,验证了精细有限元模型的准确性和适用性,该有限元模型为后续曲线组合箱梁桥体系的数值分析提供了建模依据。(5)以Python语言参数化建模方式建立了曲线钢-混凝土组合箱梁桥的ABAQUS有限元模型,进行了曲线钢-混凝土组合桥梁的爬移行为计算分析。结合实际情况施加各类荷载,模拟曲线组合箱梁桥的爬移行为。围绕该有限元模型对曲线组合箱梁桥的爬移行为进行了影响因素分析,并基于因素分析结果提出若干处置措施,结合数值分析模型验证了处置措施的效果。(6)以大型通用有限元软件ABAQUS为平台,对设置独柱墩的曲线钢-混凝土组合连续梁桥因超重车辆偏载导致的结构倾覆进行了全过程模拟。采用显式动力有限元分析法(EFEM)对结构倾覆过程的各瞬时特征进行分析,并对各桥梁部件的响应及破坏特征做出论述,针对预防梁体倾覆破坏措施提出了建议。
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