波形鋼腹板PC組合箱梁扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能分析.pdf

1、波形鋼腹板PC組合箱梁是一種鋼與混凝土材料的組合體,兩種材料各自發(fā)揮自身的力學(xué)性能:混凝土頂?shù)装宄惺軓澗?波形鋼腹板承受剪力,充分地發(fā)揮了材料的特性,因而該類組合結(jié)構(gòu)材料得到充分利用。在扭轉(zhuǎn)受力方面,將鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板,具有一般箱梁扭轉(zhuǎn)特性,但由于波形鋼腹板具有特殊的折疊效應(yīng)且鋼腹板很薄,與一般箱梁的應(yīng)力相比較,會(huì)發(fā)生一定程度的變化。因波形鋼腹板箱梁的橫截面面積較小,抗扭慣性矩和抗扭剛度將會(huì)極大地減小,從而波形鋼腹板箱梁在承受

2、外力扭矩作用時(shí),其截面的翹曲系數(shù)、扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力、縱向位移及扭轉(zhuǎn)角變化率會(huì)比一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的大。為了具體地研究波形鋼腹板PC組合箱梁在承受扭轉(zhuǎn)荷載作用時(shí)的力學(xué)性能,主要完成了以下工作:
　　1.通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),通過實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成的模型試驗(yàn)梁,了解波形鋼腹板箱梁的一般施工工藝、內(nèi)部構(gòu)造及組合連接部位銜接問題的處理,概述了該類組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力學(xué)特性、優(yōu)點(diǎn)及目前國(guó)內(nèi)外的研究狀況。
　　2.通過位移等效法及剛度等效法求出

3、波形鋼腹板三個(gè)尺寸方向的彈性模量,將三維波形鋼腹板問題簡(jiǎn)化成二維問題,得出波形鋼腹板縱向彈性模量遠(yuǎn)小于其余兩方向彈性模量,這便是波形鋼腹板產(chǎn)生褶皺效應(yīng)的緣由。
　　3.利用薄壁箱梁理論及彈性板殼理論推導(dǎo)波形鋼腹板的抗扭慣性矩,得出頂板懸挑部分的抗扭慣性矩為整個(gè)截面的0.5％,從而僅研究箱梁的環(huán)形部分的抗扭慣性矩是可行的,再者,理論公式推導(dǎo)與模型試驗(yàn)結(jié)果有一定的差別,需要進(jìn)一步對(duì)理論分析研究結(jié)果進(jìn)行修正。
　　4.利用能量變分

4、原理推導(dǎo)出了波形鋼腹板約束扭轉(zhuǎn)控制微分方程,考慮梁體承受兩種特殊外力荷載狀態(tài)—滿跨均布扭轉(zhuǎn)及跨中集中扭矩,并對(duì)控制微分方程進(jìn)行通解及特解的分析,進(jìn)而推導(dǎo)了截面扭轉(zhuǎn)角、翹曲系數(shù)、雙力矩及梁體截面扭矩等常用力學(xué)參數(shù),并將這些參數(shù)與同尺寸一般箱梁的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,得出波形鋼腹板箱梁對(duì)截面扭轉(zhuǎn)角及翹曲系數(shù)相當(dāng)敏感,且在大跨徑長(zhǎng)懸臂狀態(tài)下這些參數(shù)將更為突出。
　　5.波形鋼腹板箱梁的抗扭剛度低于一般箱形梁,在動(dòng)荷載作用下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)將處于不利

5、的狀態(tài),利用能量變分原理來求解扭轉(zhuǎn)自由振動(dòng)微分方程,對(duì)微分方程采用分離變量法求出扭轉(zhuǎn)自振頻率及振型參數(shù)。
　　6.參照實(shí)驗(yàn)室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)梁的尺寸,建立ANSYS模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件及外荷載的施加,提取截面頂?shù)装宓目v向應(yīng)力位移云圖,鋼腹板的剪切應(yīng)力云圖并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,探討該研究方法的可行性。通過提取波形鋼腹板箱梁自振頻率,并從中取出前三階扭轉(zhuǎn)自振頻率,理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明:第一階扭轉(zhuǎn)頻率與理論值相差較近