钢箱－砼组合拱结构性能与分析方法研究

申请者依据主拱各区段组合截面特性与相应区段受力需要相适应原理，提出一种竖转钢箱－砼组合拱桥，获得发明专利，在实际桥梁的成功应用表明，其兼有施工安全快捷和结构合理可靠优点，在山区拱桥建设中具有良好的应用前景。本项目将对钢板与混凝土的剪切-滑移关系、钢箱与混凝土的BPH联结键力学特性以及钢箱-混凝土构件的压弯性能进行试验研究，建立初步的分析计算方法；在此基础上，利用前期提出的自由度层次非节点连接有限元方法，针对钢箱－砼组合拱桥的施工和服役期的结构特点，研究能够准确反映钢箱、开孔加劲肋板和钢筋骨架的几何布置及其与混凝土的复杂组合连接方式的建模方法，开发能够准确揭示钢箱－砼组合拱各阶段力学特性的高精度有限元分析程序，据此从理性层面上深刻认识钢箱－砼组合拱桥的实际结构行为，为钢箱－砼组合拱桥设计理论的建立和完善奠定坚实的理论基础。

课题组提出根据主拱不同区段受力需要选用与之相适应组合截面特性的钢箱－砼组合（SBC）拱桥，兼有施工安全快捷和结构受力合理、可靠的优点，已成功应用于重庆笋溪河大桥等四桥梁。针对SBC拱的结构特点，提出以穿过钢箱开孔加劲肋板的箍筋与纵筋形成砼中钢筋骨架作为钢箱与砼的PBH剪力构造；开展了钢板与砼的粘结剪切试验研究，建立了钢板与砼的剪力－粘结滑移的本构关系；开展了PBH推出试验研究，借助Buttry提出的剪力－滑移模型，建立了PBH荷载－滑移本构方程及抗剪承载力计算公式；开展了SBC压弯构件受载性能试验研究，指出其受力全过程分为弹性工作、弹塑性工作及破坏阶段的力学行为特征；针对SBC构件中砼的约束特点，将其划分为强、弱、无约束区三个区域，依据非均匀材料的直接均匀化理论，结合试验数据建立了SBC压弯构件中约束砼单一介质匀质化本构模型；推导了SBC压弯构件中荷载-滑移-界面抗剪刚度间的关系；以PBH荷载－滑移曲线为基础，采用纤维模型法建立了考虑界面滑移的SBC压弯构件全过程分析方法；指出当荷载剪力小于0.5倍PBH抗剪承载力时，SBC构件的计算可忽略钢箱与砼界面滑移的影响；根据试验结果得到SBC压弯构件的M-N拟合曲线，提出SBC压弯构件发生塑性破坏和脆性破坏的界限破坏特征并建立了破坏判据公式；推导了SBC构件的纯弯、轴压、轴拉、名义界限破坏特征点承载能力计算公式，建议了简化的M-N承载能力计算方法。提出用空间体单元模拟混凝土，杆单元模拟钢筋，壳单元模拟钢板的建模方法，通过建立节点位移之间的线性约束方程，采用从自由度消去法实现钢筋节点与砼的连接、采用Lagrange乘子实现钢板与砼的连接，编制了相应的实现软件。鉴于目前有限元方法很难实现对带裂缝工作的大型钢筋砼桥梁结构的全过程非线性分析，开展了以配筋率为主要参数的钢筋砼拉压全过程宏观应变与相应名义应力、裂缝宽度、裂缝间距的试验研究，结合试验数据，探索建立了钢筋砼拉压全过程宏观统一本构方程；提出将SBC结构划分为钢箱、钢筋砼、含开孔加劲肋的砼三部分的有限元建模方法，对100米跨径的钢箱－砼组合拱桥进行了受力全过程分析，进一步认识了SBC拱桥的力学特性和超载能力。培养博士生一名，硕士生8名，出版专著1部，获得发明专利5项，发表论文19篇，作为其中之一主要成果的“山区拱桥建设与维护新技术研发及应用”获得2011年度国家科技进步二等奖