钢—混工字组合梁桥易更换桥面板设计关键技术研究

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钢-混工字组合梁桥充分发挥了混凝土材料的受压性能和钢材的受拉性能,具有良好的经济性,已广泛应用于国内外桥梁工程。但混凝土桥面板目前国内基本上还是采用传统现场浇筑的施工方式,且与钢梁采用永久性连接,未考虑后期的更换便利性,由此带来桥梁施工质量难以保证、环境污染大,后期维护的难度和成本显著增加等问题。为解决传统现浇混凝土桥面板不易更换的难题,本文借助UHPC(超高性能混凝土)设计提出了一种便于更换的预制桥面板及与之相匹配的纵、横向接缝构造和组合梁剪力键形式,并开展了相关试验研究和有限元分析,主要工作内容和研究成果如下:(1)基于预制全装配式钢-混组合梁桥发展理念,设计提出了一种便于更换的预制桥面板及与之相匹配的纵、横向接缝构造和组合梁剪力键形式。(2)对设计提出的预制桥面板、全装配式钢-UHPC组合连续梁桥负弯矩区以及高强螺栓剪力键开展了模型试验研究,明确了荷载作用下预制桥面板底面应变、挠度和裂缝分布规律及桥面板的承载力;获得了全装配式钢-UHPC组合连续梁界面的荷载-滑移关系和组合梁横桥向纵向应变、沿梁高应变及钢梁表面应变的变化规律;给出了钢-UHPC组合梁高强螺栓剪力键的破坏模式、荷载-滑移关系、荷载-UHPC板相对于钢梁接触面的掀起位移关系以及适用于钢-UHPC组合梁高强螺栓剪力键承载力的理论计算公式。(3)利用有限元软件abaqus对试验全过程进行了非线性数值模拟,经与试验结果验证的基础上,主要对钢-UHPC组合梁高强螺栓剪力键螺杆直径、螺杆高度以及混凝土材料强度等级进行了参数分析,发现螺杆直径对抗剪强度和最终滑移影响最为显著,其次为混凝土强度等级,螺杆高度对抗剪强度影响最小,并且螺杆高度与直径的比值(H/L)大于5后,其对螺栓剪力键抗剪强度影响甚微。(4)以设计提出的全高预制桥面板作为参照,对其进行W/L(桥面板宽度与跨度的比值)、L/H(桥面板跨度与厚度的比值)和P/J(桥面板中间平直段与渐变段的比值)等参数的研究分析,得到了各研究参数对桥面板承载力和挠度的影响规律,研究发现,桥面板承载力与参数W/L呈正相关,与参数L/H和参数P/J呈负相关;桥面板跨中挠度与参数W/L呈负相关,与参数L/H和参数P/J呈正相关。(5)建立了全装配式钢-预制UHPC桥面板组合实桥模型,研究了荷载作用下端部和中间桥面板的力学特性,得到了桥面板跨中荷载与挠度和应变的变化关系。同时,将实桥模型中组装后桥面板的承载力和跨中挠度与单独桥面板的相应测试值进行了对比,发现组装后的桥面板其承载力提升了35.1%,跨中挠度降低了20%。
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