波形钢腹板预应力混凝土（PC）箱梁受力性能研究

本课题拟开展对建立在试验及理论分析基础上的波形钢腹板组合箱梁应用于连续梁桥及部分斜拉桥时的力学性能分析理论研究，并以此为基础在考虑剪力滞后效应、约束扭转效应、动力效应及初始缺陷等因素影响的情况下建立波形钢腹板组合箱梁局部应力分析的有限梁段分析方法，从而可对波形钢腹板组合箱梁在考虑剪力滞后效应、约束扭转效应、动力效应及初始缺陷等条件下的破坏模式、破坏机理、极限承载能力进行研究，为波形钢腹板组合箱梁在连续梁桥及部分斜拉桥上的准确应用提供理论基础。此研究成果将对提高我国结构工程科技水平及发展经济具有非常积极的意义，应用前景十分广阔，并且将会产生很好的社会及经济效益。

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砼简支、连续箱梁的静动力特性：.1．制作了波形钢腹板预应力砼简支箱梁的室内试验梁模型，以能量变分法为基础，推导了波形钢腹板简支箱梁竖向频率的理论计算公式。为验证理论公式的正确性，对试验梁进行了动力测试及三维有限元仿真分析，得到了试验梁竖向频率的实测值及有限元计算值。理论公式的计算值、实测值及有限元计算值三者吻合良好，验证了理论公式的正确性。波形钢腹板的剪切效应对竖向频率的影响最大，而箱梁剪力滞效应与耦合效应对低阶竖向频率的影响可以忽略。.2．制作了（3+3）m的两跨波形钢腹板预应力砼连续箱梁的室内试验梁模型，采用能量变分法推导了波形钢腹板组合箱梁剪力滞计算式，给出了集中荷载、均布荷载作用下的波形钢腹板简支梁、连续梁的剪力滞系数的详细求解过程。引入“拟平截面假定”来描述截面正应变，出现顶底板较大，腹板处接近于零的现象，为波形钢腹板的设计与计算提供了新的变形协调条件。试验梁的竖向频率有限元值与实测值吻合良好，验证了有限元分析方法的精度和可行性。在此基础上，利用ANSYS有限元分析软件研究了等截面波形钢腹板连续箱梁的横隔板、预应力、波纹形状及跨径对其竖向频率的影响程度。研究表明，《公路桥涵设计通用规范》（2004）中连续梁频率的估算公式不适用于波形钢腹板连续箱梁，新提出的修正公式可用于计算波形钢腹板连续箱梁的竖向频率。.3．提出将三维的波形钢腹板有限元模型通过刚度等效与位移等效的方法，将其简化为二维的正交各向异性板的有限元模型。简化之后的有限元模型几何外形简单，单元和自由度的数量将大幅降低，提高了计算效率。为了验证等效方法的正确性，将三维波形钢腹板组合箱梁有限元计算结果、二维等效正交各向异性板的组合箱梁有限元计算结果及实测值进行对比，发现三者吻合良好，证实了这种有限元建模方法是有效可行的。.4．制作了波形钢腹板预应力砼变截面箱梁矮塔斜拉桥的试验模型，建立了模型试验矮塔斜拉桥与实桥之间的相似关系，依据现行规范，对该矮塔斜拉桥进行了静力与动力特性的参数化研究，针对模型桥进行了静力荷载工况、自振特性的实测值与三维有限元数值结果的对比分析，结果表明两者结果基本吻合。调试了相关有限元计算程序。.成果可应用于波形钢腹板预应力砼简支、连续箱梁桥的自振频率计算。计算方法简单易行，可极大减小设计工程师的计算工作量。