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1、波形钢腹板PC箱梁桥结构设计与连接件研究 隶南大?坚 博士学位论文 波形钢腹板箱梁桥结构设计 与连接件研究 导师姓名：冱丞 ） ， 日期：趁研究生签名：盔逸当王挺日期：劬石心垄逖谢意。料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成东南大学学位论文独创性声明纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布印件和
2、电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复东南大学学位论文使用授权声明导师签名：研究生签名：理。包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办 摘要 波形钢腹板组合箱梁桥是一种新兴的钢混组合结构桥梁，其结构形式为顶、底板为钢筋混凝土结构，腹板为波形钢腹板，预应力采用体外、或体内与体外相结合的布置方式。在混凝土顶、底板发生徐变、收缩时，钢腹板可自由伸缩，减小预应力损失。该结构充分发挥了自重轻、施工方便、预应力损失小、耐久性好等优点，结构受力十分合理。随着波形钢腹板
3、组合梁桥在我国的应用逐渐增多，在试验研究、理论分析、结构计算、桥梁施工等方面均积累了一些经验。但是，关于波形钢腹板组合梁桥的结构设计方面国内尚未形成完整的设计理论，本文经过归纳和分析国内外相关专家学者的研究成果，结合国内实桥建设经验，着重对波形钢腹板组合箱梁桥的一种新型剪力连接件以及该种桥型的设计方法两方面进行研究，主要开展了以下几个方面的工作： 通过总结和归纳波形钢腹板组合箱梁桥四种结合部的常用连接形式，重点分析了波形钢腹板与混凝土顶底板连接的常用剪力连接件的形式及特点。在原剪力连接件的基础上提出一种新型剪力连接件一开孔波折板剪力连接件。探讨了其构造原理和传力机制。 对组共个推出试件进行了极
4、限承载力试验，结合有限元软件建模分析和研究了推出试件的受力机理、破坏形态：分析了连接件的荷载滑移曲线，考察了混凝土强度、钢板开孔、波折角度、贯通钢筋等因素对该该种连接件极限承载力的影响。试验结果表明：在同等条件下，开孔波折板连接件抗剪承载力比连接件有较大程度的提高，且表现出较好的延性。提出了开孔波折板连接件屈服承载力、极限承载力、荷载滑移分阶段计算公式，并结合国内外典型推出试验的结果与现行开孔板连接件公式进行对比。最后通过性能分析对比对连接件以及开孔波折板连接件的应用范围进行了介绍。 分析和研究波形钢腹板组合箱梁桥设计计算已有研究成果的基础上，借鉴预应力混凝土梁桥设计理论，结合波形钢腹板组合箱
5、梁桥自身的构造及受力特点，介绍了波形钢腹板组合箱梁桥安全验算内容以及计算假定。对波形钢腹板组合箱梁桥的主要部件的构造特点以及计算方法进行了研究；重点分析了波形钢腹板组合箱梁桥中的波形钢腹板抗剪计算、疲劳计算、以及波形钢腹板与桥面板的连接设计。通过实例回归分析给出了波形钢腹板组合箱梁桥高跨比、横隔板合理间距的经验公式。 关键词：桥梁工程；组合结构；波形钢腹板；剪力连接件；开孔波折板；推出试验；有限元分析 ，： 。， ， ， ：； 目录 目录 摘要第章概述。 波形钢腹板组合箱梁桥的研究意义波形钢腹板组合箱梁桥的国内外研究现状 国外研究情况 国内研究情况 钢混凝土组合梁剪力连接件研究 剪力连接件国外
6、研究情况 剪力连接件国内研究情况 剪力连接件结构特点及分类一 本文研究内容及技术路线 主要研究内容一 技术路线 第章波形钢腹板组合箱粱桥结合部设计 波形钢腹板之间的结合部设计 腹板间连接构造形式 波形钢腹板之间的连接计算 波形钢腹板与横隔梁板的结合部设计波形钢腹板与内衬混凝土的结合部设计波形钢腹板与混凝土顶底板结合部设计 波形钢腹板与混凝土项底板连接构造 嵌入型连接件抗剪承载力计算角钢连接件抗剪承载力计算 至接件抗剪承载力计算 栓钉连接件计算一槽钢连接件计算 形钢和方钢连接件计算 弯筋连接件计算 国内外部分桥梁波形钢腹板与混凝土顶底板连接实例开孔波折板剪力连接件的提出 蛮力连接件的特点 。开孔
7、波折板剪力连接件的提出及其原理一 本章小结第章开孔波折板剪力连接件推出试验与数值模拟 试验的目的及内容试件设计及制作 推出试件的设计 推出件试件的制作 试验加载装置、测点布置以及试验方法 目录 推出件的加载装置及测点布置一 推出件的试验方法与测试内容 试验过程描述试验破坏形态描述推出件的有限元分析 有限元模型的建立一 施加荷载及约束 有限元分析结果一 本章小结一第章开孔波折板连接件试验结果分析 推出件的荷载滑移关系 荷载滑移曲线 荷载滑移曲线分析 推出件静力学特性推出件的力学性能影响因素 开孔直钢板与开孔波折板一 混凝土强度 钢板开孔直径一 贯穿钢筋面积一 开孔钢板厚度一 开孔钢板波长 普通钢
8、筋配筋率一 开孔板波折角度变化 直腹板和斜腹板开孔分析一 斜腹板开单孔和双孔（开孔间距分析） 单开孔板与双开孔板比较 推出件的荷载应力曲线分析 推出件的荷载开孔钢板应力曲线一 推出件的荷载混凝土板应力曲线 有限元分析结果与试验结果对比 钢板的位移对比一 开孔波折板应力对比一 开孔波折板剪力连接件承载力计算公式研究 代表性开孔板剪力连接件承载力公式分析一 开孔波折板剪力连接件屈服承载力计算公式 开孔波折板剪力连接件承载力影响因素分析 开孔波折板剪力连接件极限承载力计算公式一 开孔波折板剪力连接件荷载滑移关系式研究 弹性段荷载一滑移关系式 弹塑性段荷载滑移关系式 荷载一滑移计算值与实测值对比 与开
9、孔波折板剪力连接件性能比较 极限承载力比较一 抗剪刚度比较 抗疲劳性能比较一 目录 经济性比较一 施工适用性比较 两种连接件的应用范围一 本章小结一第章波形钢腹板组合箱梁桥设计方法研究 安全验算内容及假定 安全验算内容 整体设计流程及计算假定 主梁构造体系及关键部位设计 纵横立面布置一 波形钢腹板的构造一 高跨比设置 梁底曲线设置一 内衬混凝土设置及剪力计算一 横隔板设置 体外索设置及计算 转向块设置及计算 波形钢腹板的设计 剪应力验算 波形钢腹板屈曲验算 波形钢腹板疲劳验算 波形钢腹板与翼缘板的焊接验算 波形钢腹板设计实例 波形钢腹板与混凝土顶底板的连接设计 纵向抗剪验算 连接处承受与桥轴成
10、直角方向的弯矩作用 ，波形钢腹板及连接件设计工程算例 波形钢腹板的强度验算 波形钢腹板的屈曲验算 波形钢腹板与混凝土顶底板连接处的截面剪力计算 波形钢腹板与混凝土项板的连接计算 孔洞间钢板抗剪切破坏能力验算 波形钢腹板与混凝土底板的连接计算 本章小结第章结论与展望 结仑展望谢主要参考文献。攻读博士学位期间主要科研成果。 第章概述 第章概述 波形钢腹板组合箱梁桥的研究意义 近年来，我国基础设施建设得到了空前的发展，公路建设就是其中一个重要的部分。调查显示：截止年底，我国公路网总里程达到万公里，“十一五”期间新增万公里。其中，高速公路由“十五”期末的万公里发展到万公里，五年新增万公里，居世界第二位
11、。而在公路发展过程中，桥梁是跨越江河沟谷和城市交叉线路的重要渠道。因此，不断的提高桥梁“轻质、高强、长跨”的设计、施工和维修管理水平并防止和控制桥梁的早期破坏，对于我国公路交通基础设施的健康发展，创建节约型社会具有特别重要的意义。 自从世纪年代梁出现以来，现代桥梁获得了长足的发展，桥梁的跨越能力达到了一个新的水平。众所周知，大跨桥梁的恒载占总荷载的很大比例，有的达到以上，桥梁的自重成为约束其跨越能力的瓶颈，减轻自重就成了提高现代桥梁跨越能力的有效方法之一。为了实现桥梁结构轻型化，法国根据建设桁架式组合桥的经验，于年代末期成功的用钢板替换混凝土箱梁的腹板，称之为预应力钢混凝土组合箱梁（），并建成
12、了桥。在该桥设计中发现，由于钢材与混凝土的变形量相差较大，平钢腹板对箱梁顶、底板混凝土在桥轴方向的变形产生较大的约束，从而造成混凝土截面的预应力效率降低。为解决平钢腹板箱梁这一缺陷，年法国（）公司提出了用波形钢板替代平面钢板的设想，将原来的平直钢腹板箱梁改为沿桥轴方向可伸缩的波形钢腹板箱梁，见图，由此而形成了一种新型的、更为合理的箱梁结构波形钢腹板组合箱梁结构【。 （）平钢腹板组合箱梁（）波形钢腹板组合箱梁 图箱梁构造示意图 波形钢腹板组合箱梁，其顶底板为钢筋混凝土结构，腹板为波形钢板，预应力采用体外或体内与体外相结合的布置方式。波形钢腹板组合箱梁与预应力混凝土箱梁相比，具有以下主要特点： （
13、）采用较轻的波形钢板作为腹板，降低结构自重，提高结构的抗震性能。与传统箱梁桥相比，波形钢腹板组合箱梁主梁自重大约可减轻一，使得包括基础工程在内的下部结构工程量亦减少，因而降低了材料用量和造价。所以，当在软土地基或地震区修建桥梁时，应考虑采用该种桥型，经济效益是非常可观的【。 奎堕奎堂堕主堂篁丝茎 （）波形钢腹板可以在工厂里制作完成，体外索的使用免除了在混凝士腹板内设置预应力管道的复杂工艺，减少了预应力筋用量以及腹板模板的拼装、拆除作业，缩短了工期【。 （）波形钢腹板在受压时能自由收缩，沿桥梁纵向刚度几乎为零，基本不抵抗轴向力，从而避免吸收施加在项、底板的纵向预应力，大幅度提高了预应力的施加效率
14、。 （）波形钢腹板的纵向刚度几乎为零，使得上下混凝土翼缘板相互之间不受到约束，徐变、干燥收缩的影响减少，从而降低了混凝土顶底板产生的裂缝，最为重要的是，彻底解决了混凝土腹板的开裂问题。 虽然对于波形钢腹板组合箱梁的研究已经取得了相当多的成果，但仍有大量问题需要进一步研究探讨，其中包括：波形钢板的制作、拼装工艺；波形钢腹板与箱梁顶、底板的剪力连接构造：波形钢腹板组合箱梁桥（特别是大跨径桥梁）的施工方法与架桥机械的研究；波形钢腹板组合箱梁的疲劳性能研究；波形钢腹板组合箱梁的动力性能研究等等。另外，建立与我国现行桥梁设计规范相适应的波形钢腹板组合箱梁桥设计方法也是有待解决的问题。 波形钢腹板组合箱梁
15、结构因其自身的优势正越来越为国内工程界重视，而国外已经成功修建的桥梁实例更加激励我国加紧研究这一组合结构。随着上述问题各项研究的开展，这种结构将为国内的工程界提供一种可供选择的新桥型。连续梁桥、连续刚构梁桥、斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁的上部结构或主梁等过去采用预应力钢筋混凝土箱梁或钢箱梁、钢混凝土组合结构桥梁的方案都可以采用波形钢腹板组合箱梁。随着国内工程界对这一结构了解的深入，相信这一结构必将在我国得到广泛的应用，并为国家带来显著的社会效益和经济效益。， 波形钢腹板组合箱梁桥的国内外研究现状 作为一种新型的钢一混凝土组合结构，波形钢腹板组合箱梁充分利用了混凝土抗压强度高、波形钢腹板抗剪屈服强
16、度高相结合的优点，有效的将钢、混凝土两种材料结合起来，扬长避短，提高了材料利用率，是一种更加经济、合理、高效的结构形式；此外，波形钢腹板增强了箱梁的立体感，使得桥梁外形更加美观，是一种值得推广的新型桥梁结构。 国外研究情况 自年法国的（）公司提出了用波形钢板代替平面钢板的设想，将原来的平钢腹板改为沿桥轴方向可伸缩的波形钢腹板形成波形钢腹板组合箱梁以来，世界上很多国家对这种结构的抗弯、抗扭、抗剪和结构稳定性等方面进行了研究，并于二十世纪年代末期由法国率先建造了世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥桥，不久后又建成了桥等，其它国家也相继建造了此类型桥梁如挪威的桥，德国的桥，委内瑞拉的桥等，代表性桥梁见表
17、。日本对波形钢腹板进行了较为系统的研究，着重在钢腹板波折的形状、间距、高度、腹板倾斜角度、板厚、横隔板的间距、腹板的稳定性等研究领域，并在箱粱的抗弯、抗扭和抗剪连接件的设计等方面提出了一些基本概念和计算公式，于年建造了日本第一座波形钢腹板简支箱梁桥一新开桥【。近年来这种桥型在日本得到了广泛的应用，目前已 第皋概述 建成和在建的波形钢腹板组合箱梁桥己近座。日本和其它国家近年修建的具有代表性的桥梁见表所示【。 表国外已建代表性波形钢腹板组合箱梁桥 编号 桥梁名施工方法悬臂施工悬臂施工悬臂施工悬臂施工悬臂施工悬臂施工悬臂施工 构造形式跨部分斜拉桥 桥长（） 跨径布置（） 竣工年份 栗东桥矢作川桥（东
18、）日见梦大桥池山高架桥中一色川桥（上）中一色川桥（下） 宫家岛高架桥 跨斜拉桥跨部分斜拉桥 跨连续刚 构 跨连续粱跨连续粱跨连续粱 嚣 。 ， 入野高架桥支架施工 悬臂施工 跨连续粱跨连续刚 朝比奈川桥上伊饪仲弟二向 架桥 构 跨连续刚 悬臂施工 构 悬臂施工悬臂施工悬臂施工顶推施工顶推施工 跨连续粱 。 前川桥谷津川桥菱田川桥法国桥法国桥法国桥法国桥 跨连续粱跨连续刚 构 跨连续梁 跨连续梁 支架施工 悬臂施工 跨连续梁 跨连续梁跨悬臂边跨 趵 挪威桥委内瑞拉 翻瞄桥德国 悬臂施工 跨简支中跨 跨连续梁 主跨 南线北线 跨连续梁 桥 国外对波形钢腹板组合桥梁进行的理论及试验研究主要包括以下方面：（）抗弯性能研究 年，和等人选取根不同波形尺寸的小比例模型梁做了钢翼 缘的波形钢腹板梁抗弯试验【】，测试腹板和下翼缘的应变及挠度，并用有限元分析软件模拟梁的加载过程，得到了关于波形钢腹板梁在纯弯情况下的应力