单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变分析及试验研究

为研究单箱三室波形钢腹板箱梁悬臂状态下的扭转与畸变性能,以乌曼斯基第二理论和箱梁理论为基础,考虑了波形钢腹板的褶皱效应对箱梁纵向刚度的影响,推导了单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变微分方程,并采用初参数法及弹性地基梁比拟法求解了约束扭转和畸变产生的翘曲正应力和剪应力计算式。通过1片单箱三室波形钢腹板双悬臂梁进行了偏载和对称加载试验,验证了扭转与畸变翘曲应力计算公式的正确性。最后,利用推导的理论模型,分析了梁高、箱室宽度及波形钢腹板厚度等参数对偏载作用下单箱三室波形钢腹板组合箱梁截面翘曲应力的影响。研究结果表明：提出的理论计算公式可用于准确计算单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变效应;悬臂梁翘曲正应力主要由畸变变形引起,而约束扭转主要产生翘曲剪应力,且悬臂梁扭转和畸变产生的翘曲正应力值和剪应力值与弯曲正应力和剪应力的比值较大,因此,单箱三室波形钢腹板悬臂状态下扭转和畸变产生的翘曲正应力和剪应力不可忽略;梁高和箱室宽度对单箱三室波形钢腹板的翘曲应力影响较为显著,波形钢腹板厚度对其几乎没影响。     

波形钢腹板PC组合箱梁抗扭性能试验

通过试验的方法,研究波形钢腹板PC组合箱梁在偏心荷载作用下,挠度、横向位移、刚性扭转角、箱梁截面的翘曲应变、翘曲应力及波形钢腹板的附加剪应力的分布规律,以了解悬臂波形钢腹板PC组合箱梁在扭转作用下的力学性能。研究表明:波形钢腹板翘曲应变很小,可忽略不计;翘曲应力在底板上呈现明显的直线分布规律,且最大值出现在底板的角点处;波形钢腹板上的剪应力分布较均匀,附加剪应力在腹板上的分布也有类似的规律。     

波形钢腹板箱梁的抗扭性能分析

本文根据箱形梁理论,并结合波形钢腹板箱梁的力学特性,通过算例分析了波形钢腹板箱梁在偏心荷载下的约束扭转应力和畸变翘曲正应力。分析结果表明:在偏载下,扭转约束剪应力和畸变翘曲正应力都不可忽略,且畸变对翘曲正应力的影响明显大于约束扭转;在集中扭矩下,波形钢腹板曲线箱梁的弯扭耦合作用明显;波形钢腹板箱梁的畸变翘曲刚度和横向框架刚度相对普通混凝土箱梁都较低,波形钢腹板箱梁畸变翘曲正应力大于普通混凝土箱梁畸变翘曲正应力。     

波形钢腹板梁边缘的应力分布

波形钢腹板因其很多良好的性能而在结构中应用广泛。由于波形钢腹板在边缘和腹板的正态分布和剪应力分布与受平面挠曲与剪力影响的传统工字梁的应力分布不同,对波形钢腹板梁边缘的应力分布进行重点分析。在波形钢腹板边缘出现的附加的横向弯曲力矩,会导致对抗弯力矩有一定影响的附加正应力的分布。附加的横向弯曲力矩来自波形钢腹板中的剪力,它的数值取决于波形剖面的几何特征。对这种横向弯曲力矩的影响和趋势进行了分析。根据试验背景构建一个数值模型用来分析边缘的应力分布。测定附加正应力的趋势,并根据数值结果提出一个改进的设计方法来确定横向弯曲力矩和附加的正应力。     

大跨变截面波形钢腹板PC箱梁桥横隔板设置

为得到大跨变截面波形钢腹板PC箱梁桥横隔板合理设置的设计分析方法,对1座实桥进行了三维空间有限元分析。通过有限元参数分析,研究了大跨变截面波形钢腹板PC箱梁桥在汽车荷载作用下横隔板的布置形式、隔板厚度及横隔板间距对其跨中截面翘曲正应力和翘曲刚度的影响规律,得出了大跨变截面波形钢腹板PC箱梁桥横隔板设置的改进经验计算方法。结果表明,经验公式的计算结果与实际设计结果基本一致,可为同类桥梁横隔板间距的设置提供参考。     

大跨度变截面波形钢腹板组合箱梁抗扭性能研究

以某波形钢腹板组合箱梁桥为工程背景,建立三维有限元模型,以结构形式、墩高、墩高差以及波形钢腹板的厚度布置方式为变量,研究了这些变量对波形钢腹板组合箱梁桥抗扭性能的影响。研究结果表明扭转正应力的最大值主要出现在跨中截面附近,在桥墩截面附近也有较大的扭转正应力;波形钢腹板连续刚构桥的桥墩不高时,抗扭性能接近于波形钢腹板连续梁桥;波形钢腹板连续刚构桥的抗扭性能与墩高、墩高差成反比;波形钢腹板变厚度布置相比于采用最大厚度等厚度布置可以有效保证桥梁抗扭性能的同时减小桥梁运营过程中的挠度,另外还可以节省钢材。     

波形钢腹板数量对组合箱梁抗扭性能的影响研究

为了研究波形钢腹板的数量对波形钢腹板组合箱梁抗扭性能的影响,首先以波形钢腹板的数量为唯一变量,依据《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》(DB41/T 643-2010)建立波形钢腹板组合箱梁桥对比模型,对箱梁的抗扭性能进行理论分析,然后以卫河大桥为工程背景,建立实桥模型,对比研究实桥结构单箱单室箱梁与单箱三室箱梁的抗扭性能。理论模型分析中,随着波形钢腹板数量的增加,波形钢腹板组合箱梁的扭转正应力和扭转挠度均有一定程度的下降;实桥的扭转分析显示,偏心汽车荷载作用下,波形钢腹板连续箱梁桥的扭转正应力下降约25%,而扭转挠度下降不太明显。综合以上分析,增加波形钢腹板的数量可以在一定程度上提高波形钢腹板组合箱梁的抗扭性能。     

钢脊骨梁扭转效应分析及试验研究

以长沙市洪山大桥塔梁墩固接节段模型试验为基础 ,应用有限元方法分析扭转对钢脊骨梁应力的附加影响 ,并进一步研究了在横隔板间距、刚度变化的情况下 ,脊骨梁截面翘曲正应力、剪应力、横向弯曲应力的变化规律 ,可供设计时参考     

预应力作用下波形钢腹板箱梁的轴向力效应研究

波形钢腹板箱梁桥的腹板沿纵向具有褶皱效应,因此能够提高预应力的施加效率。为了明确所提高的预应力效应的程度,利用有限单元法对相同截面尺寸的波形钢腹板箱梁和混凝土腹板箱梁施加相同的预应力,对产生的轴向应力进行对比分析。结果表明：预应力引起的波形钢腹板箱梁轴向应力与混凝土腹板箱梁轴向应力的比值k和混凝土箱梁截面面积与波形钢腹板箱梁有效截面面积的比值η接近。     

波形腹板工字形梁截面翘曲惯性矩的推导

梁截面的翘曲惯性矩是梁平面外弯扭失稳和扭转变形分析的重要几何参数。对于梯形和正弦形波形腹板工字形截面梁,已有文献对其截面的翘曲惯性矩进行了推导,但由于推导过程中的假定不同,其结果存在差异。从截面翘曲惯性矩的定义出发,结合梯形和正弦形波形腹板工字形截面梁的受力特点,推导得到了梯形和正弦形波形腹板工字形截面梁的翘曲惯性矩计算公式,并从平面外弯扭失稳和扭转变形两个角度,与有限元数值计算结果进行了对比验证,也与其他学者推导的计算公式进行了比较。结果表明,在常用的波形尺寸范围内(波长为150～200mm,波幅为20～30mm),腹板不承受轴向力的理想受力状态可以得到保证。推导结果从理论上符合实际,在精度上也能满足工程需求。