大跨径波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的力学性能分析与试验研究

This subject adopts theoretical analysis combined with experimental research to study the mechanical behaviors of the large span presstressed concrete box girder with corrugated steel webs under the combined forces , the calculation methods of the warping stress,torsion stress of the different types crosssection of box girders and the calculation of the shear web share proportion method. By using the sectional model test methods, the shear connector failure mechanism and bearing performance are studied. By using the finite element method, the effects of the tortion, distortion and torsion-bending coupling of the large span presstressed concrete box girder with corrugated steel webs are studied in the various stages of construction. The effects of the various parameters on the shear lag are also studied. In dynamics, the spectral element method is used to study the vibration frequency of the box girder with corrugated steel webs under moving load considering the effects of the shear lag and the shear deformation in this subject. The dynamic stiffness marix is set up to solve the vibration frequency, and the influences of the speed, quality and the change of position of moving load on the vibration frequency of system are also studied. By using of the finite element simulation and model experiment, the influence of structural parameters, longitudinal prestressing and diaphagram on the dynamic characteritics of the structure are studied. The results of this study can provide a reference for design and calculation analysis of composite box girder bridge with corrugated steel webs in the future.

本课题采用理论分析结合室内模型试验的方法，研究大跨径波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁在复合受力作用下的力学行为及该类型箱梁不同截面形式的翘曲应力、扭转应力及其各腹板剪力分担比例的计算方法，通过制作波形钢腹板PC箱梁节段模型，进行该类型箱梁剪力连接件的破坏机理和受力性能研究；运用有限元方法进行波形钢腹板PC箱梁在不同施工阶段结构的扭转、畸变与弯扭耦合作用的研究及几何参数变化对箱梁剪力滞效应的影响度研究。在动力学方面，运用谱元法研究移动荷载下波形钢腹板PC组合箱梁考虑剪力滞及剪切变形效应下的振动频率变化规律，并建立其动力刚度矩阵求解其振动频率，并进一步研究移动质量的速度、质量和位置变化对系统振动频率的影响，通过有限元仿真和模型试验分析波形钢腹板的结构参数、纵向预应力、横隔板等对结构动力特性的影响，研究成果可为该类型桥梁的设计与建造提供参考依据。

项目在国家自然科学基金的资助下，较为系统地研究了波形钢腹板预应力混凝土箱梁的静动力特性：.1.基于能量变分法对该桥型的挠度计算进行了分析，在理论上推得可同时考虑箱梁剪力滞效应和钢腹板剪切变形的纵向位移函数；运用能量法推导出该桥型的挠度计算公式，公式的正确性得到模型试验及有限元法的验证。.2.为了研究波形钢腹板结构参数对箱梁扭转特性的影响，建立波形钢腹板简支箱梁桥的有限元模型，通过改变波形腹板的结构参数(板厚,水平板宽,腹板折角)计算分析试验梁扭转特性。结果表明:波形腹板折角增大时，能较大的提高扭转振动频率；在一定范围内腹板厚的增大时,能有效提高扭转振动频率；水平板宽的增大使箱梁的扭转振动频率先增大后减小。另外,通过在试验梁不同位置增设横隔板以及不同横隔板厚度的方案研究了波形钢腹板梁的扭转动力特性。 .3.以鄄城黄河公路大桥的两跨1:10变截面波形钢腹板PC室内模型试验梁,采用模型试验及ANSYS有限元仿真分析的方法对模型试验梁的动力特性进行研究。通过研究得出如下结论:a横隔板数量的改变对变截面波形钢腹板PC连续箱梁桥扭转振动频率的影响较大,对其弯曲振动频率的影响较小；b在现行规范估算公式中考虑波形钢腹板剪切变形的影响后,得到了适用于变截面波形钢腹板PC连续箱梁桥竖向基频计算的修正估算公式。.4.运用能量变分原理和Hamilton原理，推导出波形钢腹板简支箱梁桥弯曲振动频率的计算公式；得到任意等跨等截面波形钢腹板连续箱梁桥弯曲振动频率的计算公式，该公式的正确性得到已建实桥频率实测值和Ansys三维有限元计算值的验证；对波形钢腹板连续箱梁桥弯曲振动频率的影响参数进行了分析。.5.分别建立了波形钢腹板PC箱梁桥和车辆结构的振动方程，并根据车轮与桥面的接触关系形成两者耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下，利用MATLAB软件求解了车桥耦合系统的动力方程，得到桥梁结点的位移振动响应；计算出了波形钢腹板PC箱梁桥的局部及整体的动力冲击系数。