波纹钢腹板箱梁桥转向装置和剪力连接件理论与实验研究

论文摘要

波纹钢腹板体外预应力箱梁桥是一种采用波纹钢腹板作为箱梁的腹板并用体外预应力筋提供预应力的组合结构桥梁。与传统的预应力混凝土箱梁相比,这种结构具有自重小、预应力效率高、施工简便、耐久性好等优点,近年来在我国受到了学术界的重视,并得到了迅速的发展。我国目前已经建成了数座跨径较小的简支梁和连续梁波纹钢腹板体外预应力箱梁桥,另有数座正处于设计和施工阶段,并逐渐向大跨度方向发展。本文通过收集、总结国内外对波纹钢腹板箱梁研究的成果,归纳了这类桥梁的构造要点和计算方法。通过实验和有限元方法研究了波纹钢腹板体外预应力箱梁转向装置的构造、力学性能。制作了3片使用3种不同转向装置实验梁段,进行了转向装置力学性能的实验。实验通过体外预应力筋加载到实验梁段转向装置破坏,期间观察转向装置的破坏形态,收集了实验过程中实验梁段和转向装置的应变,得到了实验梁段转向装置的承载能力。在进行有限元模拟分析时,为改善计算收敛性、降低计算成本,分别建立了不考虑材料非线性的全梁段模型和考虑材料非线性但只包含转向装置的局部模型。用全梁段有限元模型研究了转向装置对箱梁的局部影响并分析了体外预应力筋对转向装置接触作用力的分布规律,用转向装置局部模型研究了转向装置的力学性能和破坏形态。有限元分析的结论与实验研究结果吻合良好,验证了有限元计算方法的有效性。根据有限元和实验研究的结果,提出了3种转向装置的构造要点、设计理论和实用计算方法。通过实验和有限元分析方法研究了PBL连接件和波形弯筋连接件的构造和力学性能。制作了采用2种连接件的推出实验试件共14个,进行了推出实验研究。用有限元方法模拟2种连接件从开始受力到剪断破坏的全过程,研究了2种连接件的滑移量、承载能力等力学性能。根据有限元和试验研究的结果,提出了PBL连接件和波形弯筋连接件的构造要点、设计理论和实用计算方法。论文研究结果可供波纹钢腹板体外预应力箱梁梁设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 波纹钢腹板箱梁结构的特点
• 1.1.2 波纹钢腹板箱梁结构的发展和应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波纹钢腹板结构国内外研究现状
• 1.2.2 体外预应力转向装置研究现状
• 1.2.3 PBL 剪力连接件和波纹弯筋剪力连接件研究现状
• 1.3 已建成波纹钢腹板体外预应力箱梁实桥介绍
• 1.3.1 国外桥例
• 1.3.2 国内桥例
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 1.4.1 波纹钢腹板体外预应力箱梁转向装置研究
• 1.4.2 波纹钢腹板体外预应力箱梁剪力连接件研究
• 第2章 非线性有限元分析的理论与实现
• 2.1 实际问题的简化和有限元模型的选择
• 2.1.1 波纹钢腹板箱梁体外预应力转向装置
• 2.1.2 波纹钢腹板箱梁剪力连接件
• 2.2 有限元分析中考虑的非线性问题
• 2.2.1 转向装置有限元分析中的非线性问题
• 2.2.2 剪力连接件有限元分析中的非线性问题
• 2.3 通用有限元软件ABAQUS 介绍
• 2.4 材料非线性问题的理论与实现
• 2.4.1 应用损伤塑性模型模拟混凝土的材料非线性
• 2.4.2 应用理想弹塑性模型模拟钢筋的材料非线性
• 2.5 接触非线性的计算理论及在ABAQUS/Standard 中的实现
• 2.5.1 接触作用的建立与解除
• 2.5.2 接触面间的滑移
• 2.5.3 摩擦模型
• 2.6 非线性有限元分析的单元选择
• 2.6.1 有限元分析中的剪切闭锁、体积闭锁和沙漏现象
• 2.6.2 非线性分析时三维实体单元的选择
• 2.6.3 适合于材料非线性与接触非线性分析的单元C3D8R
• 2.6.4 有限元分析中的非线性方程求解算法
• 第3章 波纹钢腹板体外预应力箱梁转向装置研究
• 3.1 常见体外预应力转向装置的构造形式和特点
• 3.2 波纹钢腹板组合箱梁桥转向装置有限元分析
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 全梁段模型的计算结果与分析
• 3.3 波纹钢腹板组合箱梁桥转向装置的实验研究
• 3.3.1 实验准备及实验方案
• 3.3.2 实验结果及分析
• 3.4 实验研究与有限元分析结果的比较
• 3.4.1 实验研究与全梁段模型分析结果的比较
• 3.4.2 钢制块式转向装置
• 3.4.3 混凝土块式转向装置
• 3.4.4 肋式转向装置
• 3.5 本章小结
• 第4章 波纹钢腹板箱梁剪力连接件研究
• 4.1 波纹钢腹板箱梁结构剪力连接件
• 4.1.1 钢-混凝土组合结构常用剪力连接件
• 4.1.2 波纹钢腹板箱梁结构剪力连接件的特殊性及常用形式
• 4.2 PBL 剪力连接件及波形弯筋连接件有限元分析
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 有限元模型计算结果及分析
• 4.3 PBL 连接件及波形弯筋连接件实验研究
• 4.3.1 实验准备及实验方案
• 4.3.2 PBL 连接件实验结果及分析
• 4.3.3 波形弯筋连接件实验结果及分析
• 4.4 PBL 连接件及波形弯筋连接件的构造要求及计算
• 4.4.1 PBL 连接件构造要点及计算
• 4.4.2 波形弯筋连接件的破坏形态
• 4.5 本章小结
• 第5章 波纹钢腹板箱梁桥的构造与力学性能
• 5.1 波纹钢腹板体外预应力箱梁的构造
• 5.1.1 结构体系
• 5.1.2 截面形式
• 5.1.3 体外预应力体系
• 5.1.4 波纹钢腹板构造
• 5.1.5 波纹钢腹板的连接
• 5.1.6 横隔梁与波纹钢腹板的连接
• 5.2 波纹钢腹板体外预应力箱梁的轴向力学性能
• 5.2.1 波纹钢腹板体外预应力箱梁在轴向荷载作用下的力学性能
• 5.2.2 波纹钢腹板体外预应力箱梁的轴向刚度
• 5.3 波纹钢腹板体外预应力箱梁的弯曲受力性能
• 5.3.1 波纹钢腹板体外预应力箱梁在弯曲荷载作用下的力学性能
• 5.3.2 波纹钢腹板体外预应力箱梁的抗弯承载力
• 5.3.3 弯曲变形特性
• 5.4 波纹钢腹板体外预应力箱梁的剪切受力性能
• 5.4.1 波纹钢腹板箱梁在剪切荷载作用下的力学性能
• 5.4.2 波纹钢腹板箱梁的抗剪承载力
• 5.4.3 波纹钢腹板箱梁的剪切屈曲性能和剪切屈曲强度
• 5.4.4 波纹钢腹板箱梁的剪力滞和翼板有效宽度
• 5.4.5 波纹钢腹板在弯曲和剪切共同作用下的力学性能
• 5.5 波纹钢腹板体外预应力箱梁的疲劳性能
• 5.6 转向装置的构造要求、设计原则和简化计算方法
• 5.6.1 转向装置通用构造要求
• 5.6.2 混凝土块式转向装置
• 5.6.3 钢制块式转向装置
• 5.6.4 混凝土肋式转向装置
• 5.7 PBL 和波形弯筋连接件的构造要求、设计原则和简化实用计算方法
• 5.7.1 通长型和腹板埋入型的PBL 连接件的构造要求和设计原则
• 5.7.2 PBL 连接件实用计算方法
• 5.7.3 波形弯筋连接件的构造要求、设计原则和实用计算方法
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历