鋼箱-混凝土組合拱截面受力行為與設(shè)計(jì)原理研究.pdf

1、針對砼拱橋施工風(fēng)險(xiǎn)大、風(fēng)險(xiǎn)期長等主要弱點(diǎn)，本文提出“豎轉(zhuǎn)鋼箱-砼組合拱橋”的構(gòu)想，得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078373)“鋼箱一砼組合拱結(jié)構(gòu)性能與分析方法研究”，和西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200631881448)“鋼-砼組合拱橋豎轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究”的資助，對鋼箱-砼組合拱的具體構(gòu)造、結(jié)構(gòu)性能及計(jì)算方法展開了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.分析了常規(guī)砼拱橋的優(yōu)勢及其局限性，提出根據(jù)無鉸拱不

2、同區(qū)段的受力需要選用與相應(yīng)區(qū)段受力相適應(yīng)的組合截面的鋼箱-砼組合拱橋，完善了其主拱結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造，分析表明鋼箱-砼組合拱橋在保持常規(guī)砼拱橋的主要優(yōu)勢的條件下，顯著降低了拱橋的施工風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了拱橋使用過程中抗震、抗沖擊和延性能力。
　　2.針對正彎矩和軸力作用下的壓彎構(gòu)件，提出在鋼箱項(xiàng)板上澆注砼的組合截面構(gòu)造，能夠較好抵抗截面上的偏心壓力和不利荷載組合下截面下緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力；構(gòu)造了穿過鋼箱頂板開孔加勁肋的箍筋與縱筋構(gòu)成的鋼筋骨架使現(xiàn)

3、澆砼部分與鋼箱形成整體的PBH剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造，在無需專門剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)材料和不明顯增加施工麻煩的條件下，能夠更好地確保鋼箱與砼剪力聯(lián)結(jié)可靠性。
　　3.開展了多組PBH剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造和一組傳統(tǒng)PBL剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造的抗剪性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明PBH的抗剪剛度和承載能力優(yōu)于PBL；分析發(fā)現(xiàn)PBH主要有三種破壞模式，研究提出避免開孔加勁肋板屈曲破壞和焊接破壞的構(gòu)造要求判別公式；結(jié)合精細(xì)有限元分析，建立了PBH剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造的荷載-滑移本構(gòu)模型，并通

4、過參數(shù)分析，建立了PBH抗剪強(qiáng)度半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。
　　4.開展了鋼箱-砼組合壓彎構(gòu)件受載性能試驗(yàn)研究，對純彎、偏壓、軸壓等情況下的鋼箱-砼組合構(gòu)件受力過程、破壞模式及承載力等進(jìn)行了全面研究。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，受彎構(gòu)件和大偏壓構(gòu)件的受力全過程可以分為三個(gè)階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段。
　　5.針對鋼箱-砼組合壓彎構(gòu)件的構(gòu)造及受載破壞特點(diǎn)，研究提出大偏心受壓破壞(塑性破壞)與小偏心受壓破壞(脆性破壞)的破壞特征

5、及判別方法，并從理論上推導(dǎo)了鋼箱-砼組合壓彎構(gòu)件發(fā)生兩種破壞的判據(jù)公式。
　　6.針對鋼箱-砼組合構(gòu)件中砼的約束特點(diǎn)，根據(jù)鋼箱頂板及加勁肋、鋼筋骨架內(nèi)外砼的不同約束效應(yīng)，將其分成強(qiáng)約束區(qū)、弱約束區(qū)和無約束區(qū)三個(gè)部分，分析了各區(qū)域砼受約束的特點(diǎn)，依據(jù)非均勻材料的直接均勻化理論，建立了鋼箱-砼組合構(gòu)件中的約束混凝土單一介質(zhì)勻質(zhì)化本構(gòu)模型，并結(jié)合壓彎試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)確定了模型參數(shù)。
　　7.依據(jù)鋼箱與壓區(qū)混凝土具有相同的曲率，并分別服

6、從平截面的假定，推導(dǎo)了鋼箱-砼組合拱構(gòu)件中界面滑移與荷載及界面抗剪剛度間的關(guān)系式(6-48)～(6-49)式，并以PBH荷載-滑移曲線為基礎(chǔ)，采用纖維模型法建立了考慮界面滑移的鋼箱-砼組合壓彎構(gòu)件全過程分析方法，并應(yīng)用Matlab編制了相應(yīng)的分析程序(SCCA)；與美國專用組合截面分析軟件XTRACT計(jì)算結(jié)果的比較表明，二者的計(jì)算結(jié)果總體相符，SCCA能夠較準(zhǔn)確地反映鋼箱-砼組合截面全過程受力特性；依據(jù)SCCA程序?qū)υ囼?yàn)構(gòu)件分析得到的極

7、限承載能力與實(shí)測結(jié)果吻合較好；依據(jù)SCCA程序?qū)σ劳泄こ讨鞴敖Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面進(jìn)行了全過程分析。
　　8.利用SCCA對剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造剛度與鋼箱-砼組合構(gòu)件承載力的關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載剪力小于0.5倍PBH剪力聯(lián)結(jié)構(gòu)造抵抗剪力時(shí)，鋼箱-砼組合構(gòu)件承載力的計(jì)算可以不考慮鋼箱頂板與其上砼間界而滑移的影響；反之，可根據(jù)本文編制的SCCA程序計(jì)算其承載能力。
　　9.結(jié)合試驗(yàn)資料和理論分析，推導(dǎo)了鋼箱-砼組合構(gòu)件的純彎、軸壓、軸拉承載