采用钢悬臂拓宽混凝土箱梁的新型组合结构破坏机理及优化设计研究

The structure of box girder widened by steel cantilevers is a new kind of steel-concrete composite structure which supplies an effective widening pattern for urban bridge without additional piers. By means of model test, numerical stimulations and theoretical analysis, the failure mechanism of the composite structure graded component is investigated. The failure control parameters of the graded component are gotten by the destruction tests. Based on the test results, the finite elements mathematical model considering the material nonlinearity, bond-slip effect and the contact nonlinearity is established. The influence rules of the structural parameters on the stress, deformation and failure process of graded components are studied and the failure mechanism of the composite structure is exposed.During the study of graded component optimal design, the optimal models based respectively on the mechanical characteristics and damage tolerance of the graded component are proposed and the solving strategy are presented too. The rational structure parameters of the graded component are gotten by optimal analysis and the effectiveness of the optimal design is validated by tests. The study results not only provide the effective way for the failure mechanisms analysis and design of complex composite structures but also promote the widening technical progress of box girder.

采用钢悬臂拓宽后的箱梁结构为一种新型的钢-混凝土组合结构，该结构为城市箱梁桥的拓宽提供了一种无需增设桥墩的有效模式。项目采用理论分析、模型试验、数值模拟相结合的方法，探索组合结构梯度构件的破坏机理；通过开展组合结构梯度构件破坏试验，获得结构失效的控制参数，构建能够考虑材料非线性、粘结滑移非线性、接触非线性等诸多因素的有限元分析模型，探讨不同结构参数对组合结构梯度构件的受力、变形以及破坏过程的影响规律，揭示其破坏机理。同时开展组合结构梯度构件的优化设计研究，提出基于梯度构件受力性能的优化设计模型及基于损伤容限的优化设计模型，研究相应的求解策略，通过优化设计确定梯度构件的合理结构参数，并通过试验验证优化设计的有效性。研究结果可以为复杂组合结构的破坏机理分析及设计提供有效思路和理论依据，并为箱梁桥拓宽技术的进步提供理论支持。

混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法，施工周期短，无需增设桥墩，不占据桥下空间，相比于其他桥梁拓宽方法更适合城市箱梁桥的拓宽，在未来城市桥梁拓宽改造工程中将大有用武之地。采用钢悬臂拓宽后的箱梁结构为一种新型的钢-混凝土组合结构，而该新型钢-混凝土组合结构的破坏机理尚不明确，同时缺少相应的设计原则和方法。项目开展新型组合结构的破坏机理研究，通过试验及仿真相结合的方式对组合加宽构件的破坏过程进行分析，同时开展优化设计研究。. 项目建立了考虑不同荷载权重系数条件的钢悬臂结构的多目标拓扑优化模型，并推导出保证接触面受力合理的横向体外预应力筋位置的理论范围。同时建立了能够考虑多重非线性耦合效应的组合结构有限元数值模型。开展物理试验，结合数值试验结果，分析了试验构件的损伤发展和变形情况，揭示新型钢-混凝土组合结构的破坏机理。组合结构的破坏模式为，接触面下缘附近混凝土在预应力和梁端荷载的压剪联合作用下开裂，被压碎，接触面上缘附近混凝土在锚栓拉力作用下开裂，最终接触面顶部锚栓断裂，组合结构达到极限承载力。 . 项目研究了主要结构参数对组合结构极限承载力的影响规律。包括接触面倾斜角度，锚栓直径，锚固深度，横向预应力的位置和大小对组合结构极限承载力的影响规律，为设计提供指导。. 项目研究基于梯度构件受力性能的优化设计方法。建立利于优化设计的代理模型，确定合理的设计参数变量、约束条件及目标函数，研究优化求解策略，提出了新型钢-混凝土组合结构的优化设计思路。. 相关研究成果为正确把握该新型组合结构的受力机制奠定基础，为SCWCBM的设计及质量保证提供科研支持，推动已建箱梁桥拓宽技术的更快发展，并为此类复杂组合结构的破坏机理分析和设计提供有效思路和理论依据。