水平底板索波形钢腹板连续刚构桥构造与力学性能研究

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本文以水平底板索波形钢腹板连续刚构桥为依托,利用Midas/Civil有限元程序建立了结构空间分析模型,从静、动力学方面分析其结构响应特点。在静力学方面,以波形钢腹板布置范围、主梁高度、梁底线形幂次、跨中底板厚度等为参数,研究主梁内力变化规律;以桥墩几何参数,研究了桥墩刚度对结构力学性能的影响。在动力学方面,研究了波形钢腹板布置范围、墩高等因素对水平底板索波形钢腹板连续刚构桥的动力特性及地震响应的影响;本文主要研究如下:1)对水平底板索波形钢腹板连续刚构桥进行了短暂状况和持久状况的应力及挠度验算,结构抗弯承载能力及波形钢腹板抗剪承载能力验算。结果表明:施工阶段的挠度及拉、压应力均满足规范,使用阶段的挠度、压应力及正截面抗裂均满足规范;结构抗弯承载能力及波形钢腹板抗剪承载能力均满足规范要求。2)对水平底板索波形钢腹板连续刚构桥和普通连续刚构桥进行了主梁构造和力学性能及经济性对比分析,分析表明:在成桥状态,普通连续刚构桥顶、底板压应力曲线变化较为平缓,底板索波形钢腹板连续刚构桥顶、底压应力曲线变化较陡,钢-混凝土结合处应力有突变,值得关注,且附近梁段应力值较大,压应力储备大;水平底板索波形钢腹板连续刚构桥相对普通连续刚构桥混凝土用量节省13.07%,预应力钢束用量节省25.80%。3)以主梁高度、跨中区段底板厚度、底板线形、波形钢腹板梁段布置长度为研究参数,分析了水平索波形钢腹板连续刚构桥的内力响应特点。分析表明:波形钢腹板布置范围宜从1号块-13号块开始布置;主梁根部截面弯矩随着跨中梁高的增大而减小,主梁跨中截面弯矩随着跨中梁高的增大而增大,跨中梁高宜取值4.5m-5.5m;主梁根部截面弯矩随着根部梁高的增大而增大,主梁跨中截面弯矩随着根部梁高的增大而减小,根部梁高宜在10.5-11.5m;梁底线形幂次不宜超过2.0次;跨中底板厚度不宜超过0.45m。4)针对不同墩型,分析桥墩几何参数(墩高、墩身截面面积)对结构主要力学指标的影响。分析表明:墩高和墩身截面面积对主梁内力及变形影响较小,对墩身内力及变形显著;当桥墩高度为20m-40m时宜采用双肢薄壁实心墩,双肢空心墩适用于40m-80m,矩形空心墩适用于80m以上墩高。5)对结构自振特性进行了分析,结构前十阶振型主要表现为竖弯和侧弯,尚未出现扭转,说明了结构具有好的扭转性能;主梁前五阶振型表现为主梁侧弯及纵飘,第六阶为主梁正对称竖弯,说明了主梁的纵向刚度较横向刚度大。6)在结构自振特性分析的基础上,分析了波形钢腹板布置范围及墩高对结构自振特性的影响。分析表明:波形钢腹板布置范围对结构自振特性的影响不明显,结构频率增长率在11%以内;墩高变化对结构的自振频率及振型影响非常显著。7)在地震作用下结构地震响应分析的基础上,分析了波形钢腹板布置范围及墩高对结构地震响应的影响。分析表明:纵向地震作用下,主梁根部截面、桥墩墩顶、底截面弯矩均随波形钢钢腹板布置范围减小有不同程度的增大;横向地震作用下,主梁左右肢根部及桥墩墩底截面弯矩随波形钢腹板布置范围的减小而增大;竖向地震作用下,随着波形钢腹板布置范围的减小主梁左右肢根部弯矩、剪力逐渐增大。纵向地震作用下,主梁边跨1/2、主梁根部及桥墩顶底截面弯矩随墩高的增大而减小,90m之后变化平缓,主梁根部及桥墩顶底截面剪力随墩高的增大而减小,墩身轴力变化随墩高的增大而减小;横向地震作用下,主梁边跨1/2、主梁各关键截面弯矩随墩高的增大起伏很大,90m之后变化平缓,除中跨1/2截面外其余各关键截面剪力随墩高的增大而减小,主梁根部扭矩变化同样随墩高的增大而减小;竖向地震作用下,主梁各关键截面弯矩随墩高的增大起伏很大,主梁根部截面剪力随墩高的增大而减小,墩身轴力变化随墩高的增大而减小。
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