新型組合鋼箱梁橋承載試驗與計算方法研究課件

1、新型組合鋼箱梁橋承載試驗與計算方法研究論文主要內(nèi)容1. 緒論2. 新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作3. 組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析4. 新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析5. 新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究6. 結(jié)論與展望設(shè)計與制作承載性能試驗靜動載試驗計算方法1.緒論裝配式混凝土梁橋 中小跨徑橋梁在我國具有廣泛的需求，根據(jù)交通部統(tǒng)計資料，截止到2010年底，全國公路橋梁數(shù)量約為65.8萬座，其中40m跨徑以下中小跨徑橋梁占到橋梁總數(shù)的90以上。不同程度的裂縫及下?lián)?，影響耐久性與正常使用自重較大，對基礎(chǔ)要求高，下部結(jié)構(gòu)造價偏高組合梁橋鋼結(jié)構(gòu)梁橋建筑垃圾，環(huán)保代價巨大鋼結(jié)構(gòu)直接造

2、價偏高，后期養(yǎng)護費用突出裝配形式的橋面寬度小，公路及市政實例較少受力性能好質(zhì)量易控制施工便捷快速耐久性更有保證1.緒論標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制化經(jīng)濟適用施工快捷新型組合鋼箱梁橋維護費用低擴大鋼材內(nèi)需組合鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)截面1.緒論 新型組合鋼箱梁橋是由若干組合鋼箱梁通過橫隔板橫向裝配而成。主要構(gòu)件包括鋼板混凝土組合橋面板、波形鋼腹板、內(nèi)填混凝土的鋼套箱、橫隔板以及預(yù)應(yīng)力筋。鋼材全部采用耐候結(jié)構(gòu)鋼。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作跨徑30m橋梁，梁高1.8m，橋?qū)?.4m，兩車道，橫向由2個組合鋼箱梁裝配而成。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作 采用平鋼板形式，焊接彎筋連接件，澆筑1

3、0cm厚混凝土，并為加強鋼與混凝土之間連接，界面涂抹環(huán)氧樹脂。 腹板采用波形鋼腹板。波長為1000mm，波高為160mm。腹板豎向高度為1.55m，傾斜形式，傾斜角度為19。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作 鋼套箱15cm厚，內(nèi)填細(xì)骨料混凝土，通過鋼筋連接件連接。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作10 22根直徑為15.24mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用先張法施工。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作箱梁內(nèi)組合橫隔板，鋼橫隔板內(nèi)澆筑混凝土組合鋼箱梁現(xiàn)場拼裝外橫隔板2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作預(yù)制跨徑30m組合鋼箱梁2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作組合鋼箱梁安放定位拼裝焊接鋼上翼板與鋼橫隔板現(xiàn)場澆筑橋面

4、板混凝土混凝土養(yǎng)護，橋面鋪裝橋梁附屬設(shè)施2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計與制作制作30m組合鋼箱梁足尺模型。布置位移計及應(yīng)變片波形鋼腹板橋面板混凝土上表面組合橋面板鋼板的 下表面鋼套箱底面應(yīng)變測試得到撓度相對滑移裂縫長度及寬度荷載量通過ANSYS建立空間板殼實體非線性計算模型考慮鋼及混凝土的材料非線性不考慮鋼與混凝土相對滑移對結(jié)果分析 分析總結(jié)組合鋼箱梁的整體受力性能、結(jié)構(gòu)剛度變化、破壞模式與承載能力，進行全過程的力學(xué)分析。鋼條均布堆載施加均布荷載足尺模型承載性能試驗方案3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析擺放好第一層鋼加載至最終荷載4949kN吊機加載應(yīng)變測點擺放鋼條3.組合鋼箱梁承載性能試驗及

5、有限元分析最終受力狀態(tài)及組合橋面板連接外荷載值4949kN（505tf）跨中位移162.2mm鋼套箱鋼板達到屈服強度，進入屈服狀態(tài)橋面板混凝土最大壓應(yīng)變977，塑性狀態(tài)，未被壓碎波形鋼腹板最大剪應(yīng)變1172，彈性狀態(tài)鋼套箱混凝土混凝土開裂組合橋面板相對滑移值很小整體進入到塑性狀態(tài)，變形與應(yīng)變增長較快。 相對滑移很小，可認(rèn)為鋼與混凝土之間完全組合，彎筋連接件有效。3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析荷載-位移曲線彈性階段鋼套箱混凝土開裂至其內(nèi)鋼筋屈服鋼筋屈服至鋼套箱屈服鋼套箱屈服至橋面板混凝土壓碎1574kN3020kN4756kN4949kN3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析跨中鋼套箱縱

6、向應(yīng)變跨中橋面板混凝土縱向應(yīng)變3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析線性增長，處于彈性受力狀態(tài)梁端波形鋼腹板剪應(yīng)變曲線剪應(yīng)變沿梁高方向差值不大，接近為一條豎直線3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析外荷載/kN位置1剪應(yīng)變/位置2剪應(yīng)變/位置3剪應(yīng)變/平均剪應(yīng)變/腹板承擔(dān)比例/%46612811810111673.8118933731731532380.8144640742636339982.0217059257152256277.02893764714-73976.03616919899-90974.8433910811001-104171.4482111721128-115071.0實測波

7、形鋼腹板承擔(dān)剪力比例 腹板承擔(dān)的剪力比例較高，位于71%82%之間，可認(rèn)為波形鋼腹板承擔(dān)截面的全部剪力且沿高度方向均勻分布。忽略上下翼板承擔(dān)的部分剪力偏于安全，且計算結(jié)果滿足工程精度。3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析沿截面高度應(yīng)變分布3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析組合鋼箱梁承載能力分析3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析荷載受力狀態(tài)荷載/kN跨中彎矩值/kN m跨中位移/mm跨中混凝土壓應(yīng)力/MPa跨中鋼套箱拉應(yīng)力/MPa支承腹板剪應(yīng)力/MPa安全系數(shù)公路I級設(shè)計荷載858328111.84.032.515.0鋼套箱內(nèi)混凝土開裂1574588027.47.677.925.41.

8、83跨中位移達L/6002297861450.09.8246.837.02.68鋼套箱鋼板屈服475617834151.718.2410.071.05.54最終外荷載494918559162.219.8410.073.95.77受力狀態(tài)匯總 與30m預(yù)應(yīng)力混凝土足尺模型小箱梁比較。梁高1.8m，頂板寬度為2.4m，頂板厚為18cm，底板寬度為1.0m，底板厚為18cm。 普通鋼筋屈服時，集中荷載1300kN，相當(dāng)均布荷載2600kN，與組合鋼箱梁的鋼套箱屈服荷載4756kN相比，比值4756kN/2600kN=1.833.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析有限元仿真計算分析實體單元模擬橋面板，

9、殼單元模擬鋼板， 桿單元模擬預(yù)應(yīng)力筋考慮材料非線性橋面板施加均布荷載，模擬加載ANSYS板殼實體非線性計算模型3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析最終外荷載4949kN，跨中位移162.2mm。鋼套箱屈服，結(jié)構(gòu)處于塑性狀態(tài)，卸載 后外觀完好，未發(fā)現(xiàn)受力裂縫。采用ANSYS建立的空間板殼實體非線性計算模型，具有較高的計算精度，說明 試驗的準(zhǔn)確性。本章小結(jié)結(jié)構(gòu)的安全儲備高。較之相同跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，具有更大承載能力?？偨Y(jié)組合鋼箱梁的破壞模式。組合橋面板的相對滑移很小，可認(rèn)為完全組合。彎筋連接件有效?？烧J(rèn)為波形鋼腹板承擔(dān)截面的全部剪力。符合擬平截面假定。在公路I級設(shè)計荷載下，鋼套箱內(nèi)混凝土未開

10、裂，處于彈性受力狀態(tài)，滿足要求。3.組合鋼箱梁承載性能試驗及有限元分析設(shè)計建造30m的新型組合鋼箱梁實橋關(guān)鍵測試斷面位移橋面板混凝土應(yīng)變波形鋼腹板剪應(yīng)變鋼套箱應(yīng)變建立試驗橋的ANSYS有限元板殼實體模型 檢驗橋梁在試驗荷載下實際受力特性是否滿足設(shè)計要求，對其正常使用性能進行評價。布置位移計及應(yīng)變片模擬車輛實際位置加載橫隔板應(yīng)變橋面板局部工況位移橋梁自振特性實測值與計算值對比檢校系數(shù)殘余系數(shù)跨中最大正彎矩（中載及偏載）1/4L正彎矩（中載及偏載）支承附近剪力（中載及偏載）橫隔板工況橋面板工況自振特性、跑車、跳車、剎車試驗自振特性動力響應(yīng)實測橋梁靜動載荷載試驗實施方案4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載

11、試驗結(jié)果及分析橋面上車輛位置標(biāo)記動載試驗中載加載偏載加載靜載試驗遠(yuǎn)景圖橋梁靜動載荷載試驗4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析工況工況說明W1-1W2-3W2-4W3-23跨中最大正彎矩中載第1級5.48.510.25.6跨中最大正彎矩中載第2級13.114.414.79.56跨中最大正彎矩偏載第1級5.29.5126.2跨中最大正彎距偏載第2級13.015.617.210.5L/600=50mm滿足規(guī)范要求位移結(jié)果4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析工況測點實測值 /計算值 /檢校系數(shù)殘余應(yīng)變 /相對殘余應(yīng)變 /%跨中正彎矩中載C2-7-100.9-951.0644.0C1-6

12、-90.0-940.9633.3C1-7-103.2-991.0454.8跨中正彎矩偏載C2-10-99.8-991.0177.0C1-6-97.3-1000.9777.2C1-7-121.5-1201.0164.9跨中截面混凝土最大壓應(yīng)力6.7MPa4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析工況測點實測值 /計算值 /檢校系數(shù)殘余應(yīng)變 /相對殘余應(yīng)變 /%梁端中載G4-42422510.9631.2G4-62132480.863717.4G4-72622501.0562.3G4-82222520.885625.2梁端偏載G4-42602700.9631.2G4-62963050.9751.

13、7G4-73133021.0461.9G4-82893020.964615.9波形鋼腹板最大剪應(yīng)力23.2MPa 偏載作用下，鋼腹板的剪應(yīng)力除彎曲產(chǎn)生外，還有由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的翹曲剪應(yīng)力與畸變剪應(yīng)力。實測附加剪應(yīng)力占到彎曲剪應(yīng)力的20%40%。相比于混凝土箱梁橋，影響程度較大，在抗剪設(shè)計中應(yīng)予以考慮。腹板剪應(yīng)變結(jié)果4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析橋面板局部加載 實測值沿橋?qū)挿较虻倪B接線近似為一條直線，兩個箱梁共同受力。橫隔板與箱梁之間有效連接，起到很好的荷載橫向分配的效果。4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析方向試驗?zāi)B(tài)實測頻率/Hz阻尼比/%計算模態(tài)計算頻率/Hz相對偏差%豎向

14、第1階對稱豎彎5.181.28第1階對稱豎彎5.042.8%第2階對稱扭轉(zhuǎn)8.843.78第2階對稱扭轉(zhuǎn)8.751.0%/第3階對稱扭轉(zhuǎn)13.37/第3階反對稱豎彎16.417.42第4階反對稱豎彎16.042.3%第4階反對稱扭轉(zhuǎn)19.101.47第5階反對稱扭轉(zhuǎn)21.139.6%自振特性結(jié)果4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析動力響應(yīng)：跳車剎車跑車動位移及動應(yīng)變最大值均未超過限值波形鋼腹板的面外振動與橫隔板的縱向振動響應(yīng)較小跑車47km/h剎車20km/h跳車10km/h動載試驗結(jié)果4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析主要位移及應(yīng)變測點檢校系數(shù)滿足規(guī)范要求。最大位移17.2

15、mm小于L/600，較高剛度。 應(yīng)力均遠(yuǎn)小于相應(yīng)強度標(biāo)準(zhǔn)值，較高剛度。滿足公路I級設(shè)計荷載，處于彈性受力狀態(tài)。相對殘余變形（應(yīng)變）較小，符合規(guī)定?；謴?fù)性能良好，具有一定安全儲備。實測橋梁基頻5.18Hz，較好的彎曲剛度。模態(tài)及頻率的實測結(jié)果與計算結(jié)果較為吻合。橋梁前10階模態(tài)以豎向彎曲及扭轉(zhuǎn)為主，扭轉(zhuǎn)模態(tài)出現(xiàn)的階數(shù)較低且次數(shù)多。應(yīng)減少 扭轉(zhuǎn)對橋梁產(chǎn)生不利影響。本章小結(jié)偏載產(chǎn)生附加剪應(yīng)力對腹板剪應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。橫隔板起到較好荷載橫向分配。動位移與動應(yīng)變最大值均未超過限值。跑車、剎車試驗的沖擊系數(shù)小于按橋梁基頻計算 出的沖擊系數(shù)，跳車試驗系數(shù)稍大。4.新型組合鋼箱梁橋靜動載荷載試驗結(jié)果及分析模型

16、試驗靜動載試驗有限元分析結(jié)合組合梁既往研究組合鋼箱梁受力性能計算方法合理假定基礎(chǔ)上忽略波形腹板軸向剛度與彎曲剛度截面剪力全部由波形腹板來承擔(dān)組合橋面板完全組合不考慮混凝土中普通鋼筋作用不考慮剪力滯效應(yīng)不考慮橫隔板對剛度貢獻幾何參數(shù)材料參數(shù)5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究抗彎剛度抗剪剛度抗扭剛度有效預(yù)壓應(yīng)力鋼套箱混凝土開裂荷載鋼套箱鋼板屈服荷載抗彎承載力抗剪承載力彈性階段撓度塑性階段撓度截面特性正截面抗彎計算截面承載力撓度計算結(jié)合面剪力計算考慮波形鋼腹板的剪切變形受力性能計算方法5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究三者結(jié)果較為接近，較高的精度。且理論計算結(jié)果值偏小，偏于安全。計算結(jié)果比較5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計算方法研究 在公路I級設(shè)計荷載下跨中截面彎矩MS遠(yuǎn)小于截面抗彎承載力Mu，且小于混凝土開裂荷載Mcr。滿足抗彎承載力要求，處于彈