鋼箱-混凝土組合拱截面受力行為與設計原理研究.pdf

1、針對砼拱橋施工風險大、風險期長等主要弱點，本文提出“豎轉鋼箱-砼組合拱橋”的構想，得到國家自然科學基金項目(51078373)“鋼箱一砼組合拱結構性能與分析方法研究”，和西部交通建設科技項目(200631881448)“鋼-砼組合拱橋豎轉設計與施工關鍵技術研究”的資助，對鋼箱-砼組合拱的具體構造、結構性能及計算方法展開了較系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，主要研究內容和結論如下：
　　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區(qū)段受力相適應的組合截面的鋼箱-砼組合拱橋，完善了其主拱結構的具體構造，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險，增強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件，提出在鋼箱項板上澆注砼的組合截面構造，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)生的拉應力；構造了穿過鋼箱頂板開孔加勁肋的箍筋與縱筋構成的鋼筋骨架使現(xiàn)

3、澆砼部分與鋼箱形成整體的PBH剪力聯(lián)結構造，在無需專門剪力聯(lián)結構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)結可靠性。
　　3.開展了多組PBH剪力聯(lián)結構造和一組傳統(tǒng)PBL剪力聯(lián)結構造的抗剪性能試驗研究，結果表明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造要求判別公式；結合精細有限元分析，建立了PBH剪力聯(lián)結構造的荷載-滑移本構模型，并通

4、過參數(shù)分析，建立了PBH抗剪強度半理論半經(jīng)驗計算公式。
　　4.開展了鋼箱-砼組合壓彎構件受載性能試驗研究，對純彎、偏壓、軸壓等情況下的鋼箱-砼組合構件受力過程、破壞模式及承載力等進行了全面研究。依據(jù)試驗結果，受彎構件和大偏壓構件的受力全過程可以分為三個階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段。
　　5.針對鋼箱-砼組合壓彎構件的構造及受載破壞特點，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，并從理論上推導了鋼箱-砼組合壓彎構件發(fā)生兩種破壞的判據(jù)公式。
　　6.針對鋼箱-砼組合構件中砼的約束特點，根據(jù)鋼箱頂板及加勁肋、鋼筋骨架內外砼的不同約束效應，將其分成強約束區(qū)、弱約束區(qū)和無約束區(qū)三個部分，分析了各區(qū)域砼受約束的特點，依據(jù)非均勻材料的直接均勻化理論，建立了鋼箱-砼組合構件中的約束混凝土單一介質勻質化本構模型，并結合壓彎試驗實測數(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，推導了鋼箱-砼組合拱構件中界面滑移與荷載及界面抗剪剛度間的關系式(6-48)～(6-49)式，并以PBH荷載-滑移曲線為基礎，采用纖維模型法建立了考慮界面滑移的鋼箱-砼組合壓彎構件全過程分析方法，并應用Matlab編制了相應的分析程序(SCCA)；與美國專用組合截面分析軟件XTRACT計算結果的比較表明，二者的計算結果總體相符，SCCA能夠較準確地反映鋼箱-砼組合截面全過程受力特性；依據(jù)SCCA程序對試驗構件分析得到的極

7、限承載能力與實測結果吻合較好；依據(jù)SCCA程序對依托工程主拱結構關鍵截面進行了全過程分析。
　　8.利用SCCA對剪力聯(lián)結構造剛度與鋼箱-砼組合構件承載力的關系進行了分析，發(fā)現(xiàn)當荷載剪力小于0.5倍PBH剪力聯(lián)結構造抵抗剪力時，鋼箱-砼組合構件承載力的計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程序計算其承載能力。
　　9.結合試驗資料和理論分析，推導了鋼箱-砼組合構件的純彎、軸壓、軸拉承載