波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁抗扭力学性能分析与试验研究

This subject mainly adopts the method of theory analysis combined with experimental research to study the torsional mechanical behavior of prestressed concrete box girder with corrugated steel web and the constant section, variable cross-section and the number of diaphragm plate,under the influence of torsional action, the variation of torsional warping normal stress,shear stress and axial deformation and the stress in the steel on the web.the segment model of PC composite box girder with corrugated steel web made in labortory is applied with the finite element method (FEM) and the higher bridge structure design theory under the action of the box girder with corrugated steel web to anaylze the mechanical properties and some related parameters in pure torsion, and additional research of.box girder with corrugated steel web torsional moment of inertia. under the effect of eccentric torsion, the results of theoretical analysis compared with model test results, the research of the composite box girder with corrugated steel web under torsional stress is percentage of contribution on the whole mechanical. the result of this study can provide a certain reference for design and calculation of composite box girder with corrugated steel web in torsional analysis.

本课题主要采用理论分析结合模型试验的方法，研究波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁在特定受扭作用下梁体的力学性能，重点分析等截面、变截面、横隔板数量多少等不同条件对箱梁截面上的扭转翘曲正应力、扭转翘曲剪应力、轴向变形及钢腹板上的应力变化产生的影响。通过在实验室制作缩尺波形钢腹板PC组合箱梁节段模型与全桥模型进行模拟测试，运用有限元方法及高等桥梁结构设计理论对波形钢腹板箱梁在纯扭作用下的力学性能及一些相关参数建模分析并对比测试结果，附带研究波形钢腹板组合箱梁截面抗扭惯性矩的有效计算方法；在弯扭耦合作用下，将理论分析结果与模型试验结果进行对比，深入研究波形钢腹板组合箱梁在扭转作用下的应力对整体受力的贡献度。该研究成果可为该类桥型在受扭分析方面提供必要的参考。

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PC组合箱梁的扭转及弯曲动力特性以及静力特性：.1.在考虑箱梁自由扭转扭矩与约束扭转扭矩的基础上，运用D′Alembert原理推导了波形钢腹板PC箱梁桥的扭转振动频率方程，给出了与该桥型扭转振动频率求解相关的极惯性矩、扭转常数及扇形惯性矩的计算方法，并根据简支梁的边界条件求得了该桥型扭转振动频率的计算公式。.2. 利用能量变分原理，在考虑剪滞剪切变形双重效应影响的基础上，导出波形钢腹板PC组合箱梁的单元刚度矩阵和一致质量矩阵，并利用子空间迭代法编制求解广义特征值的程序BXBOX，使波形钢腹板PC组合箱梁矩阵位移法更加完整，为考虑剪滞剪切效应波形钢腹板组合箱梁的动力特性提供一种新的计算方法。.3. 为了更精确地求解波形钢腹板组合箱梁的挠度，通过分析波形钢腹板PC组合箱梁挠曲剪应力分布特点，结合虚功原理，推导出考虑全截面剪切影响的剪切形式因子。基于能量变分原理，推导出该组合箱梁剪切附加挠度的控制微分方程，并给出一般荷载条件下简支箱梁剪切附加挠度的表达式。.4.运用有限元分析方法，在综合考虑剪力滞与剪切变形双重效应影响的基础上，通过能量变分原理导出了波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程并给出了解析解；在该解析解的基础上进一步推导了单元刚度矩阵及结点荷载列阵，编制了FORTRAN有限元程序。 .5.利用能量变分法推导出波形钢腹板箱梁在预应力作用下的剪力滞控制微分方程和考虑剪力滞效应的竖向振动微分方程。给出了不同预应力束线形的应力表达式以及预应力和剪力滞效应对自振频率双重影响的解析表达式，分析了混凝土波形钢腹板箱梁在预应力作用下的挠度分布规律。.6.基于车桥耦合振动理论，建立了组合箱梁精细化的车桥耦合振动分析有限元模型，并分别对30m单箱单室和50m单箱多室的波形钢腹板组合箱梁及传统混凝土箱梁进行了精细化的动力响应分析。