PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁结构力学性能研究

Concrete-filled rectangular steel tube truss has the advantages of high flexural rigidity, simple connection details and convenient installation, thus, it is appropriate for promotion in the construction of steel composite truss bridges. To improve the interface behavior and combination capacity between the steel tube and concrete, as well as mechanical property of truss joint, a new type of steel composite truss with concrete-filled rectangular tube chords strengthened by the longitudinal holed stiffener(PBL stiffener) was proposed. It provided functions of both stiffener and internal shear connector to the concrete-filled steel tube. This study aims to investigate the mechanism of PBL stiffener improving the mechanical property of concrete-filled rectangular steel tube composite truss from the aspects of bearing capacity, static and fatigue performance, and the ensemble property of truss structure. This research intends to optimize the key parameters such as stiffener arrangement, hole size, joint details, then establish a simplified calculation and design method of the composite truss with concrete-filled rectangular tube chords strengthened by PBL stiffener. The research results can further develop the truss bridge performance, and provide a new approach for the application of concrete-filled tube structures.

矩形钢管混凝土桁架具有抗弯刚度大、连接构造简洁、施工安装就位方便等优势，在组合桁梁桥结构中应用前景广阔。为改善矩形钢管混凝土弦管的界面、节点力学性能和钢-混凝土组合效应，本课题提出一种新型的PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁结构。该结构在钢管内壁设置开孔钢板纵肋，使其具有PBL连接件和加劲肋的双重功效。本课题着重于PBL加劲肋增强矩形钢管混凝土桁梁性能的力学机理研究，拟从构件承载力、节点静力和疲劳性能、桁梁整体性能等方面开展研究工作。分析PBL作用下的钢-混凝土组合效应与界面内力传递规律，提出合理的PBL纵肋布置形式、开孔形式、节点构造等设计参数，提出PBL加劲型矩形钢管混凝土桁梁结构简化计算模型和设计方法。课题的开展对丰富和发展桥梁结构形式、拓宽钢管混凝土结构应用范围具有重要的理论和工程意义。

本课题提出了一种新型的PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁结构，其具有钢-混组合效应好、界面性能可靠、节点静力与疲劳性能优异、构造连接简单等特点。项目组以试验研究、有限元数值模拟和理论分析为主要研究手段，针对PBL加劲型矩形钢混凝土结构开展了钢管-混凝土组合效应工作机理、节点传力机理与疲劳性能、桁架及实桥整体力学性能三个方面的研究。.项目组首先对单孔PBL连接件的受剪承载力和荷载滑移曲线进行了研究，在此基础上给出了PBL连接件在钢管混凝土中的受剪机理。对轴压极限状态下PBL加劲型矩形钢管混凝土柱的力学性能进行了研究，考虑了钢管与核心混凝土的多向应力状态，提出了管内混凝土的有效面积约束模型，推导给出了圆形、矩形以及PBL加劲型矩形钢管混凝土柱轴压承载力统一计算公式。分析了PBL加劲型矩形钢管混凝土管壁在轴压及偏压荷载作用下局部稳定性能，并给出了设置PBL加劲肋后管壁截面的宽厚比限值。其次对PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的静力性能和疲劳性能进行了研究，提出了PBL加劲型矩形钢管混凝土桁梁节点破坏模式和承载力计算方法。采用热点应力法对节点区域的应力分布规律进行了试验和有限元研究，给出了节点热点应力集中系数计算公式。进而对PBL加劲型矩形钢管混凝土桁梁的整体力学性能进行了研究，得到了主管内设PBL加劲肋桁架的破坏模式和变形规律。最后在已取得的研究成果基础上，进行了PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥实桥设计，并在工程竣工后对这种新桥型的力学性能进行了实桥试验研究。.本课题对PBL加劲型矩形钢管混凝土桁架结构力学性能开展了系统、深入的研究，课题取得的研究成果对发展PBL加劲型矩形钢管混凝土桁梁桥提供了必要的理论基础，对丰富和发展钢混组合桥梁结构形式具有重要的工程意义，对完善钢管混凝土结构理论具有重要的理论意义。