受压弦杆填充混凝土的矩形钢管（钢箱）桁架静力性能研究

论文摘要

本文是国家西部交通建设科技项目（2006 318 812 112）和交通部应用基础研究项目（2006 319 812 130）的部分研究内容。部分填充混凝土的矩形钢管桁架是一种新型结构形式,本文对其中受压弦杆填充混凝土的矩形钢管桁架的静力性能进行了研究。在综合分析桁架结构受力特性影响因素的基础上,参考实桥结构尺寸,设计了拟进行模型试验的两榀直接焊接K型间隙节点矩形钢管桁架整体结构模型,分别为空管矩形钢管桁架和受压（上）弦杆填充混凝土矩形钢管桁架。建立了综合考虑材料非线性和几何非线性的整体结构有限元模型。部分填充混凝土的理念是根据实际桥梁受力状态提出的,为了分析部分填充混凝土矩形钢管桁架在具有弯矩荷载作用下的受力特性,分别分析了结构在节点荷载和节点荷载与端弯矩共同作用下结构的整体工作性能,跟踪分析结构的加载全过程、塑性发展和结构破坏模式。分析结果表明:1)在节点荷载作用下,填充混凝土对结构承载能力的提高作用明显;空管桁架的节点应力较集中,当荷载很小时,节点的应力已达到屈服应力;两榀桁架的破坏模式都是节点塑性变形过大而失去承载能力;矩形钢管桁架的没有填充混凝土节点承载能力是整个桁架承载能力的约束瓶颈;空管节点受压腹杆连接处变形较大,典型的变形特征为弦杆钢管侧壁外凸,管壁压坏或局部屈曲,同时受压腹杆将弦杆管壁上表面压入;从两榀桁架的荷载-位移曲线来看,空管桁架进入非线性阶段后,整体刚度减小较快,荷载-位移曲线趋于平缓,而上弦杆填充混凝土的H-B桁架进入非线性后,荷载-位移曲线还以一定的斜率上升,结构刚度还较大,说明填充混凝土可以提高结构的延性。2)在节点荷载和端弯矩共同作用下,在受压弦杆填充混凝土对承载能力提高作用更明显;结构破坏时,受压弦杆填充混凝土的桁架跨中下弦杆的应力水平较高,材料利用率大大提高;对于空管节点,弦杆轴向拉力可以增大节点的承载能力,而弦杆轴向压力则降低节点承载能力。在此基础上,按照本文研究的部分填充混凝土的理念,对一座正在建造的三跨连续刚性悬索加劲双层公路钢桁梁桥进行桥式方案分析。按照本文方案填充混凝土后,结构的应力水平下降较明显,填充的混凝土分担构件压力的贡献大于其自重效应,利大于弊。填充混凝土后结构自振频率提高较明显,进一步说明部分填充混凝土矩形钢管桁架结构的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管桁架结构在桥梁中的应用
• 1.2 部分填充混凝土钢管结构
• 1.2.1 矩形钢管混凝土结构
• 1.2.2 部分填充混凝土钢管桁架结构的概念
• 1.2.3 部分填充混凝土钢管结构的应用
• 1.3 部分填充混凝土钢管桁架结构研究现状
• 1.3.1 部分填充混凝土钢管结构理念
• 1.3.2 钢管及钢管混凝土桁架受力性能
• 1.4 本文研究主要内容及方法
• 第二章 部分填充混凝土矩形钢管桁架的基本性能和构造
• 2.1 矩形钢管桁架结构布置
• 2.1.1 矩形钢管桁架主要形式
• 2.1.2 矩形钢管桁架节点类型和构造参数
• 2.2 矩形钢管桁架受力影响因素
• 2.2.1 矩形钢管桁架整体受力影响因素
• 2.2.2 矩形钢管桁架节点受力影响因素
• 2.3 矩形钢管桁架破坏模式
• 2.3.1 稳定性破坏
• 2.3.2 强度破坏
• 2.4 部分填充混凝土矩形钢管桁架桥梁的构造
• 第三章 部分填充混凝土矩形钢管桁架在节点荷载作用下受力分析
• 3.1 钢管混凝土结构非线性有限元分析
• 3.1.1 材料非线性
• 3.1.2 几何非线性
• 3.1.3 非线性有限元求解方法
• 3.1.4 单元选取
• 3.1.5 材料本构关系及破坏准则
• 3.2 分析模型
• 3.2.1 模型设计
• 3.2.2 有限元模型的建立
• 3.3 H—A 空管桁架受力特性
• 3.3.1 桁架变形分析
• 3.3.2 荷载位移关系
• 3.3.3 应力分布
• 3.3.4 塑性发展及失效模式
• 3.4 H—B 受压弦杆填充混凝土桁架受力特性
• 3.4.1 H—B 桁架变形分析
• 3.4.2 荷载位移关系
• 3.4.3 应力分布
• 3.4.4 塑性发展及失效模式
• 3.5 两榀桁架比较分析
• 3.5.1 荷载-位移曲线比较
• 3.5.2 变形分布比较
• 3.5.3 应力分布比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 部分填充混凝土矩形钢管桁架在节点荷载和端弯矩共同作用下受力分析
• 4.1 计算模型
• 4.2 变形比较
• 4.2.1 整体变形比较
• 4.2.2 局部变形比较
• 4.3 应力分布比较
• 4.4 极限承载能力比较
• 4.5 塑性发展和失效模式比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 部分填充混凝土钢箱桁梁桥式方案分析
• 5.1 依托工程背景
• 5.2 全桥有限元模型
• 5.3 部分填充混凝土钢箱桁梁桥式方案内力、应力比较
• 5.3.1 填充方案
• 5.3.2 边桁轴力、应力比较
• 5.3.3 动力性能比较
• 5.4 部分填充混凝土矩形钢管桁架在桥梁中的应用前景
• 结论
• 参考文献
• 附录：东江大桥中桁混凝土填充前后应力变化
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢