超高性能混凝土箱梁的空间力学行为分析

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超高性能混凝土简支箱梁结合了简支箱梁的结构优势与超高性能混凝土优良的性能,能够在满足结构强度条件下节减混凝土用量,减少箱室内壁厚度、减轻结构自重,从而实现桥梁向更长跨度发展。针对超高性能混凝土薄壁箱梁的空间力学行为的研究还比较少,本文对超高性能混凝土简支箱梁的剪力滞效应、扭转效应与畸变效应的变化规律及影响因素进行研究分析,并与等跨径普通混凝土简支箱梁作比较,主要研究内容如下:(1)提出了48米超高性能混凝土简支箱梁的设计构想,拟定截面尺寸并配置预应力筋。依据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》从极限承载力、抗裂性、应力等方面对所设计结构进行安全性能验算。对比分析48米超高性能混凝土箱梁与32米普通混凝土箱梁的经济性,发现超高性能混凝土梁虽然造价高,但仍可作为复杂特殊条件下的选择。(2)采用ANSYS分别建立48米超高性能混凝土箱梁实体单元模型与壳单元模型,计算箱梁顶板与底板的应力值,得到剪力滞系数沿横截面的分布规律。一方面,从受力的角度,对比在不同荷载工况下超高性能混凝土箱梁与普通混凝土箱梁的剪力滞系数的取值范围,结果表明在同一工况下,超高性能混凝土箱梁的剪力滞系数略大于普通混凝土箱梁;另一方面,考虑结构的几何参数对剪力滞效应的影响,得出了宽跨比、箱壁厚度以及腹板位置对箱梁剪力滞效应的影响规律。(3)应用扭转理论与有限元,分析48米超高性能混凝土简支箱梁的扭转效应。分别研究高宽比、箱壁厚度及横隔板的数量与厚度对扭转效应的影响,结果表明翘曲比例系数随着高宽比的增大而减小;箱壁厚度对同一截面不同部位的翘曲比例系数的影响不同;设置端隔板将大幅降低整体的扭转翘曲正应力,设置跨内隔板仅降低隔板附近的扭转翘曲正应力;隔板厚度的改变对扭转翘曲正应力的影响较小。对比等跨径超高性能混凝土箱梁与普通混凝土箱梁在单线偏心活载作用下的扭转效应,结果表明普通混凝土箱梁的扭转效应更为显著。(4)绘出48米超高性能混凝土简支箱梁跨中截面畸变角与畸变双力矩影响线,以此得出在单线ZK活载作用下的畸变翘曲正应力。应用弹性地基梁比拟法与能量变分法分别推导了不考虑剪切变形影响与考虑剪切变形影响的畸变微分方程,结果表明在同一偏心荷载作用下考虑剪切变形影响对应的畸变翘曲正应力较小。研究高跨比、箱壁厚度、横隔板数量及厚度对箱梁畸变效应的影响,结果表明在L/4、L/2截面处高跨比与畸变翘曲系数成正比、在L/8处成反比;随着箱壁厚度的增加,畸变翘曲系数逐渐减小;横隔板的设置对畸变效应具有一定的削弱作用。对比等跨径普通混凝土简支箱梁的畸变效应发现,超高性能混凝土箱梁的畸变效应更为突出。
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