桥梁-s20090141-王娟娟.ppt

组合桥梁设计计算的相关研究 S20090141王娟娟 主要内容 1 组合桥梁的力学特点 设计原则 极大限度地追求高性能 经济型 将抗拉性能强的钢材 抗压性能强的混凝土 分别合理地用在构件的拉伸区及其压缩区 组合结构最大的技术特点是组合后的性能已经超过两种材料各自的力学性能 钢材处于拉伸区域时 其强度及其延性能够很好发挥 但当处于压缩区域时 由屈曲强度决定 特别是薄钢板制作的构件 材料性能很难发挥 而混凝土是比钢材更便宜 自重大 抗拉强度显著小的脆性材料 因此 两者力学组合主要表现在两个方面 即钢材对混凝土的支援及混凝土对钢材的支援 1概述 2 组合结构桥梁的分类及特点 1 焊钉连接件的力学性能 Hiragi等人通过回归分析179个试件的实验数据 提出焊钉连接件的抗剪承载力为 关于抗疲劳承载力的计算方法的研究结果也不一样 通过对114个实验的实验数据回归分析 得出焊钉连接件的抗疲劳承载力计算公式为 关于抗拔承载力对抗剪承载力影响的研究成果也有很多 最早是在美国首先开始的 所用的焊钉直径分别为19mm 22mm 埋设深度分别为10mm 178mm 200mm 提出的抗拔承载力计算公式为 2连接件的设计与计算 2 开孔钢板连接件 圆柱头焊钉是钢与混凝土结构中最常用的连接件之一 其破坏形式主要是根部焊接处的剪切破坏 关于开孔钢板连接件在混凝土中受到剪力作用时的破坏模式 一般认为大致会出现以下4中情况 1 两孔之间的钢板发生剪切破坏 2 圆孔中的混凝土发生割裂破坏 3 圆孔中的混凝土发生剪切破坏 4 圆孔中的混凝土发生压缩破坏影响开孔板连接件抗剪性能的主要因素 大致有4方面 1 开孔板的孔径 2 贯通钢筋 3 开孔板的间距 4 开孔板的厚度 3 抗剪承载力的计算 开孔板连接的抗剪承载力的计算方法各不相同 需要大量试验数据的验证 在此仅举出几个具有代表性的计算式 Leonhardt提出如下公式 Hosaka等人根据许多研究者的试验结果进行回归提出了下面计算式 d 是圆孔的直径 fc 是混凝土的抗压强度 ds fy是贯通钢筋的直径和屈服强度 3波折腹板组合箱梁桥的设计与计算 1 结构体系特点 图3波折腹板桥梁结构示意图 采用波折腹板的组合结构箱梁桥体系 具有4大优点 即 承担剪力的波折钢板具有很高的抗剪承载性能 波折钢板抗弯性能较差 使得混凝土顶 底板单独承担弯矩 利用波折钢板的自由压缩特性来减小预应力增加量 仅箱梁本身就可以减轻自重约20 相应的下部结构也会得到合理设计 整体造价大幅度下降 由于不需要混凝土腹板 从而相应减少了钢筋和模板的制作与安装 缩短了工期 方便施工 2 波形钢腹板的连接 对于钢 混结合部的连接 一是在波形钢板的上下端部焊接钢板 钢板上焊接剪力钉 如柱型螺栓 使之与混凝土板结合在 起 见图a 二是在波形钢板上打孔 穿过钢筋 贯通钢筋 再在钢扳的上 下端部焊接纵向钢筋 约束钢筋 并埋入混凝土中 图b 3 受力特点 抗弯特性波形钢板在沿桥纵向 x轴方向 的表观弹性模量E 与波高h 板厚t以及波纹的形状系数Y有关 具体表述为下面的公式 主梁的扭转特性在偏心荷载作用下 主梁截面将发生扭转变形 由于混凝土腹板的箱梁刚度较大 扭转的影响很小 扭转变形能很快地被截面上横向框架效应和板的面内挠曲刚度所吸收 由于波形钢腹板的弯曲刚度与上 下混凝土板相比小很多 因此断面的扭转变形的影响将会增大 使混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力 这是不可以忽略的 应设置较多的横向联结钢构件或横隔板来限制扭转 并使其与用来使预应力束转向的转向块合为一体 横隔板间距对扭转变形方程的影响方面 日本的研究表明利用扭转常数与横隔板间距的相关曲线 就可以得到一定箱梁扭转常数下的横隔板间距的值 在不过多增加主梁自重的情况下 适当调整横隔板间距对限制扭转变形是有效的 关于波折钢腹板箱梁桥截面的抗扭刚度的计算 方法很多 目前还没有明确的结论 4 波形钢腹板的应力计算 波形钢腹板主要承受剪应力 设计中偏安全地认为结构所有的剪力都由波形钢腹板承担 忽略混凝土顶 底板对剪力的抵抗作用 从而计算出波形钢腹板所需要的最小厚度 钢腹板不仅承担纵向弯曲所引起的弯曲应力 同时也承担横向弯曲所引起的弯曲应力 因此必须对合成应力进行验算 1 工程概况 某高速公路上跨桥 桥跨布置为30 48 30 108m 桥面横向布置为 0 5m 防撞护栏 11m 行道 0 5m 防撞护栏 12m 设计荷载 公路一 级 结构抗震 6度区 地震动峰值加速度为0 1g 桥梁平面位于直线段上 纵断面位于R 3500m的凸形竖曲线上 4波折腹板组合箱梁桥的设计实例 2 结构总体设计 上部结构采用波折钢腹板组合箱梁 单箱单室断面 钢腹板倾斜25度 体内体外钢索并用 墩顶设置横隔梁 各跨跨中设置两道横隔板 下部结构采用柱式墩台 钻孔灌注桩基础 支架现浇施工 一次落集成形 总体布置参见右图 箱梁混凝土为C50 预应力钢束 钢绞线采用标准的高强低松弛钢绞线 外包PE防护套 并采用配套的型体外预应力锚具 波形钢腹板采用Q345级低合金结构钢板弯折成型 边中跨比为0 625 全桥除墩顶设置横隔梁外 跨中各设两道30cm厚横隔板兼作预应力转向块 同时增强箱梁横向抗扭 支座采用盆式橡胶支座 4 横断面设计 横断面的设计是根据国外已建成的等高度梁桥高跨比来确定的 通过对比采用单箱单室的截面形式 梁高2 7m 高跨比1 17 8 箱梁的设计 顶宽12m 顶板厚0 28m 底板宽5 22m 厚0 22m 近支点位置加厚利于应力扩数 5 横隔板的设置 众多的研究都表明 将混凝土腹板换成波折腹扳后 箱梁的抗扭刚度和抗剪刚度均会降低 而且相对于混凝土腹板的箱粱 波折腹板箱型桥梁在偏心荷载作用下的畸变效应会有所增强 因此必须在跨内适当设置横隔板来增强整体性以减小畸变翘曲正应力 考虑到横隔板要兼作体外预应力钢束的转向块 每跨至少要在两处设置 当波折腹板的竖向倾角为0 矩形截面 时 当波折腹板的竖向倾角为30 时 当波折腹板的竖向倾角为450时 6 承载力验算 抗剪验算时如前假定全部由钢腹板来承受剪力 根据结构总体计算求得的最大剪力值来确定钢板的厚度 并保证最大剪应力不超过钢材的容许应力和抗剪屈服强度 此外 为防止波折钢的局部屈曲和整体屈曲破坏 对波形进行了核算 本桥平面位于直线段上