新型混凝土分离式实心板梁桥的极限荷载分布规律和破坏机理研究

A new class of short-to-medium span bridge, known as a concrete spread slab beam bridge, was developed in recent years, which owns characteristics of low beam depth, easy construction and good economical efficiency. However, the structural performance of this new bridge system at the ultimate limit state remains unclear. This proposed research project is to thoroughly investigate the ultimate load distribution behavior and failure mechanism of concrete spread slab beam bridges through experimental tests, numerical simulations and theoretical analyses. Firstly, a destructive test will be carried out on a scaled bridge model to investigate the transverse structural behavior when it is incrementally loaded from elastic state, cracking state, yielding state until failure. Secondly, failure mechanisms and ultimate load capacities of concrete spread slab beam bridges will be determined with referring to the crack patterns and yield line theory. Furthermore, numerical analyses will be performed to study the effects of various key parameters on the ultimate load distribution behavior of this new bridge system, including: beam spacing, beam stiffness, deck slab thickness, etc. Eventually, design models will be developed to determine ultimate lateral load distribution factors for different failure patterns. The research outcome of this project will provide a theoretical basis for the engineering design and application of concrete spread slab beam bridges.

混凝土分离式实心板梁桥是近年针对中小跨径桥梁提出的一种新式桥型，其特点是建筑高度低、施工便捷、经济性能好，然该桥梁体系在承载力极限状态下的受力性能目前尚不明晰。本项目拟采用模型试验、数值模拟和理论分析相结合的方法针对混凝土分离式实心板梁桥的极限荷载分布规律和破坏机理进行深入研究。首先，开展缩尺模型的破坏性试验，研究该桥型从弹性、开裂、屈服至破坏过程中的横向受力性能；其次，基于裂缝开展形态和屈服线理论，揭示混凝土分离式实心板梁桥的破坏机理并确定其对应的极限承载力；最后，实施数值分析以探明主梁间距、主梁刚度和桥面板厚度等因素对该桥型极限荷载分布的影响规律，从而针对不同的破坏模式建立极限荷载横向分布系数的计算模型。本项目研究成果为混凝土分离式实心板梁桥的工程设计和安全应用提供理论依据。

混凝土分离式实心板梁桥是近年来针对公路中小跨径桥梁提出的一种新式桥型，其特点是建筑高度低、施工便捷、经济性能好，然而该桥梁体系在国内设计环境下的适用性，特别是承载力极限状态下的受力性能目前尚不明晰。本项目采用模型试验、数值模拟和参数分析相结合的方法针对混凝土分离式实心板梁桥的受力特性、破坏机理和承载性能展开深入研究，主要研究内容包括：（1）调研国内外新近提出的多种中小跨径混凝土桥梁结构体系，对比其经济性能和技术性能，并采用模糊多属性群决策方法进行选型综合评价；（2）基于Matlab平台编制交互式程序，依据国内现行规范框架对混凝土分离式实心板梁桥进行结构参数化分析，探究其受力性能和跨越能力；（3）设计制作桥梁缩尺模型并开展破坏性试验，研究该桥型从弹性、开裂、屈服至破坏过程中，裂缝发展、承载性能和破坏机理等特性；（4）采用非线性有限单元法对模型构件进行分析并与试验结果进行对比，验证数值方法和计算模型的可靠性；（5）基于非线性数值分析方法研究不同参数组合的混凝土分离式实心板梁桥从建造、运营至破坏全过程的受力性能，并结合塑性铰线理论探究其潜在破坏模式及承载能力，分析加载模式、主梁间距和主梁刚度等因素对该桥型的裂缝开展和破坏模式的影响规律。研究表明，和相近跨径的其它混凝土桥梁结构体系相比，混凝土分离式实心板梁桥在5—20米跨径范围内综合性能最优；控制该桥型结构设计的关键条件是正常使用极限状态正截面抗裂性验算和短暂状况应力验算；随着主梁间净距的减小和主梁高度的增加，分离式实心板梁桥的跨越能力有所增强。该桥型的破坏形态与几何参数、配筋形式和加载模式密切相关，可表现为主梁破坏和主梁—桥面板组合破坏；全桥的受力状态在施工和运营全过程中存在较大变化，对损伤的发展和破坏模式的形成有一定影响。该研究成果可探明混凝土分离式实心板梁桥的受力特性、破坏机理和承载性能，为推动该桥型在国内的安全应用提供理论依据。