波形腹板钢底板组合箱梁弯曲力学性能分析及模型试验研究

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波形腹板钢底板组合箱梁是将传统波形钢腹板组合箱梁的混凝土底板换成了平钢底板的一种新型桥梁结构。其受力更加合理,重量更轻,跨度更大。钢底板和波形钢腹板可以工厂预制拼装进一步加快施工进度。该桥型已经在甘肃省内的桥梁建设率先投入使用。因此,对这种混凝土顶板-波形钢腹板-钢底板的新结构研究具有重要意义和价值。本文依托甘肃省2019年重大科技专项“公路新型钢混组合桥梁建造成套技术研究及产业化”通过试验和有限元模拟对该结构的弯曲力学性能、有效翼缘宽度和荷载横向分布进行了研究,得到以下结果:(1)首先对模型试验的模型尺寸和测试布点进行了设计,对模型进行制作。通过模型试验得到5种控制工况下顶底板和波形腹板受力情况以及各腹板底部挠度变化情况。偏载工况下,主梁的应力值距荷载作用位置越远分布越均匀,主梁应力值在荷载作用附近相差很大,在受集中荷载作用时,产生应力集中的现象。挠度影响线的竖标值与荷载作用位置有关,腹板距荷载作用位置越远,该腹板处的竖标值越小,按挠度求得影响线竖标值的差值相比应力较小。(2)通过引入新型波形腹板钢混组合箱梁剪切转角,将波形钢腹板箱梁的受力比作轴力作用产生的弯矩和弯曲作用产生的弯矩的叠加。对新型波形腹板钢混组合箱梁的变形和顶底板应力进行了理论推导,并将试验模型梁的边界条件带入理论推导公式得出解析解。将具体参数带入理论推导公式求得跨中混凝土顶底板应力值和挠度值。对比发现跨中截面应力值与理论计算符合很好。(3)以试验模型梁为背景,参考各国现行规范并与有限元进行对比。荷载作用下,各国规范与有限元值相差较大,主要原因是因为各国规范计算有效翼缘宽度考虑的因素不同,但各国规范均对偏载状况下有效翼缘宽度没有进行规定。在偏载工况下有效翼缘宽度随加载位置的不同而变化。当集中力从横截面对称位置向边缘移动过程中,当荷载作用在外腹板位置时,有效翼缘宽度系数最小。整体来看,偏载作用下比对称加载工况下有效翼缘宽度系数要小。在跨中横向加均布荷载时,有效翼缘宽度系数最大,最大值为0.924。(4)建立波形腹板钢混组合箱梁桥空间有限元模型,计算该模型在不同工况下的应力值和挠度值并与试验值进行对比。分别基于应力效应和挠度效应反算荷载横向分布系数,并与刚接梁法和铰接板法进行比较,结果发现基于挠度效应反算荷载横向分布系数比基于应力效应反算荷载横向分布系数更准确。(5)通过Midas FEA软件模拟,设定不同尺寸和位置的的横向联系,研究横隔板和K字撑的尺寸和位置对波形腹板钢底板箱梁荷载横向分布的影响。发现随着梁间K字撑宽度和箱室内横隔板厚度的增加,各主梁荷载分担比例最大值逐渐减小,且中梁荷载分担比例减小比边梁更加明显。本文主要对于波形钢腹板钢底板组合箱梁弯曲力学性能进行了一定研究,为今后该类桥梁的设计以及推广应用提供一定的依据和支持。
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