高速铁路箱形混合梁斜拉桥钢-混结合段静力力学性能研究

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箱形混合梁斜拉桥具有跨越能力强、梁高小、经济性好等优点,已广泛应用于大跨度公路桥梁。由于铁路活载大、冲击作用强等特点,该桥型在铁路桥梁中应用较少。基于国内第一座设计时速达350 km/h的高速铁路箱形混合梁斜拉桥——鳊鱼洲长江大桥,本课题对长度更短、构造更简单、施工更便捷的新型铁路无格室后承压板式钢-混结合段的传力性能及变形性能进行了探究,并对比评估了其在高速铁路混合梁斜拉桥中的适用性。主要研究内容及成果如下:(1)对铁路箱形混合梁斜拉桥钢-混结合段的受力影响因素进行了研究,提出了考虑结合段位置和索塔锚固位置的合理边跨长度计算公式,并验证了其合理性。在分析钢-混结合段传力机理的基础上,分别推导了基于刚性承压板假定和考虑承压板局部变形及应力横向分布不均匀性的铁路钢-混结合段传力计算方法,并基于有限元计算结果评估了其适用性。结果表明,考虑承压板变形和应力横向分布不均匀的传力计算方法与铁路钢-混结合段受力模式更为接近,承压板刚度和应力横向分布规律对铁路钢-混结合段传力计算方法的准确性影响较大。(2)建立了原桥钢-混结合段的有限元模型,对其在最不利工况下的应力纵横向分布规律、变形特性、传力特性及剪力连接件力学特性进行了研究。结果表明,在最不利组合工况下,钢和混凝土应力沿横向分布不均匀,结合段钢结构和混凝土截面应力沿横向分布不均匀情况较两侧的钢梁和混凝土梁更为不利。应力沿纵向逐渐减小,且在后承压板两侧应力有突变,表明承压板在内力传递过程中发挥着重要作用。活载单独作用下结合段最小竖曲线半径为24315 m,纵坡坡度最大为2.1‰。有限元分析结果表明,后承压板、PBL连接件及剪力钉分别传递约59.9%、15.9%、10.2%的轴向力。各层剪力钉及PBL连接件受力不均匀现象较为明显,变高开孔板纵向正应力分布与公路钢-混结合段中的等高开孔板应力分布情况较为类似。(3)通过进行推出试验,对变高开孔板连接件及剪力钉试件的破坏形态、极限承载能力及荷载-滑移关系等进行了研究。变高开孔板推出试验结果表明,变高开孔板端承压作用较小,钢和混凝土之间的粘结力对承载力贡献比较明显,约占极限承载力的9.3%,试件中各个PBL连接件受力并不均匀。试件失效的主要原因是混凝土沿第一列横向钢筋所在截面的劈裂破坏,试件表面几乎无细小裂纹,该破坏形式与公路箱形混合梁斜拉桥钢-混结合段中常用的等高矩形开孔板推出试验差异较大。基于试验结果,提出将开裂荷载作为铁路钢-混结合段变高开孔板设计承载力的上限,并提出了铁路钢-混结合段变高开孔板的设计承载能力计算公式。剪力钉推出试验结果表明,剪力钉直径较小时,破坏模式为剪力钉根部剪断;剪力钉直径较大时,破坏模式主要为两侧混凝土板破碎。中国规范和美国规范推荐的承载能力计算公式适用于破坏模式为剪力钉根部剪断的试件,但会高估破坏模式为混凝土碎裂试件的承载能力。日本规范和欧规推荐的承载能力计算公式将低估剪力钉试件的承载能力。中国规范推荐的刚度预测公式计算结果最为准确,而欧规将低估剪力钉的刚度性能。(4)通过大节段模型试验对新型铁路无格室后承压板式钢-混结合段的承载能力、应力纵横向分布规律、变形特性以及滑移特性进行了研究。结果表明,结合段和混凝土梁段承载能力高于钢梁过渡段,以混凝土顶面不开裂为控制指标,则总体安全系数不低于1.2。正弯矩效应约为轴力效应的1.32~1.74倍,负弯矩效应约为轴力效应的1.41~2.98倍,从受力角度来说,弯矩效应更为不利。提出了回归方程对新型铁路钢-混结合段的变形性能进行了评估,结果表明,各最不利工况中,结合段变形平顺,结合段竖曲线最小半径为15457 m,最大转角为0.442/1000,小于规范限值。与推出试验结果进行对比后发现,后承压板对控制结合段滑移发生起着重要作用。(5)对两类高速铁路钢-混结合段截面特性及传力特性进行了对比,结果表明,新型无格室后承压板式短结合段钢混结合面上的附加弯矩占比更小,后承压板传力比例更高。有格室前后承压板式结合段钢混结合面附加弯矩占比更大,各层剪力钉承担的荷载不均匀性更大,但结合段内抗弯惯性矩沿纵向变化更为平缓,承压板传力比例更低。基于非线性有限元模型,对新型高速铁路短钢-混结合段构造参数的影响性进行了探究,结果表明结合段长度对传力及变形影响较小,但对剪力连接件承担的荷载大小影响较大。预应力锚固位置对承压板的应力状态和主梁变形性能影响较为显著。剪力连接件刚度对滑移的发生有明显影响,呈现出负相关关系。后承压板厚度对结合段内滑移的发生有较大影响。基于参数分析结果,建议原桥钢-混结合段中承压板厚度不宜小于27 mm,PBL连接件横向钢筋直径不宜小于8 mm,剪力钉直径不宜小于14 mm。
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