新型組合鋼箱梁橋承載試驗(yàn)與計(jì)算方法研究課件

1、新型組合鋼箱梁橋承載試驗(yàn)與計(jì)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(jì)與制作3. 組合鋼箱梁承載性能試驗(yàn)及有限元分析4. 新型組合鋼箱梁橋靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析5. 新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)算方法研究6. 結(jié)論與展望設(shè)計(jì)與制作承載性能試驗(yàn)靜動(dòng)載試驗(yàn)計(jì)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(jì)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(duì)基礎(chǔ)要求高，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)偏高組合梁橋鋼結(jié)構(gòu)梁橋建筑垃圾，環(huán)保代價(jià)巨大鋼結(jié)構(gòu)直接造

2、價(jià)偏高，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用突出裝配形式的橋面寬度小，公路及市政實(shí)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(jì)適用施工快捷新型組合鋼箱梁橋維護(hù)費(fèi)用低擴(kuò)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(jì)與制作跨徑30m橋梁，梁高1.8m，橋?qū)?.4m，兩車道，橫向由2個(gè)組合鋼箱梁裝配而成。2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)與制作2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(hù)，橋面鋪裝橋梁附屬設(shè)施2.新型組合鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)與制作制作30m組合鋼箱梁足尺模型。布置位移計(jì)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(duì)滑移裂縫長度及寬度荷載量通過ANSYS建立空間板殼實(shí)體非線性計(jì)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(duì)滑移對(duì)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(jìn)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(yàn)方案3.組合鋼箱梁承載性能試驗(yàn)及有限元分析擺放好第一層鋼加載至最終荷載4949kN吊機(jī)加載應(yīng)變測點(diǎn)擺放鋼條3.組合鋼箱梁承載性能試驗(yàn)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(dá)到屈服強(qiáng)度，進(jìn)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(duì)滑移值很小整體進(jìn)入到塑性狀態(tài)，變形與應(yīng)變?cè)鲩L較快。 相對(duì)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(jì)算結(jié)果滿足工程精度。3.組合鋼箱梁承載性能試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jí)設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)，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(yàn)及有限元分析有限元仿真計(jì)算分析實(shí)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(shí)體非線性計(jì)算模型3.組合鋼箱梁承載性能試驗(yàn)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(shí)體非線性計(jì)算模型，具有較高的計(jì)算精度，說明 試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本章小結(jié)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)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(duì)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(jí)設(shè)計(jì)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(yàn)及有限元分析設(shè)計(jì)建造30m的新型組合鋼箱梁實(shí)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(yàn)橋的ANSYS有限元板殼實(shí)體模型 檢驗(yàn)橋梁在試驗(yàn)荷載下實(shí)際受力特性是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)其正常使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。布置位移計(jì)及應(yīng)變片模擬車輛實(shí)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(shí)測值與計(jì)算值對(duì)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(yàn)自振特性動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測橋梁靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)實(shí)施方案4.新型組合鋼箱梁橋靜動(dòng)載荷載

11、試驗(yàn)結(jié)果及分析橋面上車輛位置標(biāo)記動(dòng)載試驗(yàn)中載加載偏載加載靜載試驗(yàn)遠(yuǎn)景圖橋梁靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)4.新型組合鋼箱梁橋靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)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(jí)5.48.510.25.6跨中最大正彎矩中載第2級(jí)13.114.414.79.56跨中最大正彎矩偏載第1級(jí)5.29.5126.2跨中最大正彎距偏載第2級(jí)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(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析工況測點(diǎn)實(shí)測值 /計(jì)算值 /檢校系數(shù)殘余應(yīng)變 /相對(duì)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(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析工況測點(diǎn)實(shí)測值 /計(jì)算值 /檢校系數(shù)殘余應(yīng)變 /相對(duì)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(shí)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(jì)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(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析橋面板局部加載 實(shí)測值沿橋?qū)挿较虻倪B接線近似為一條直線，兩個(gè)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(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析方向試驗(yàn)?zāi)B(tài)實(shí)測頻率/Hz阻尼比/%計(jì)算模態(tài)計(jì)算頻率/Hz相對(duì)偏差%豎向

14、第1階對(duì)稱豎彎5.181.28第1階對(duì)稱豎彎5.042.8%第2階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)8.843.78第2階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)8.751.0%/第3階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)13.37/第3階反對(duì)稱豎彎16.417.42第4階反對(duì)稱豎彎16.042.3%第4階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)19.101.47第5階反對(duì)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(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析動(dòng)力響應(yīng)：跳車剎車跑車動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)變最大值均未超過限值波形鋼腹板的面外振動(dòng)與橫隔板的縱向振動(dòng)響應(yīng)較小跑車47km/h剎車20km/h跳車10km/h動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果4.新型組合鋼箱梁橋靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析主要位移及應(yīng)變測點(diǎn)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，較高剛度。滿足公路I級(jí)設(shè)計(jì)荷載，處于彈性受力狀態(tài)。相對(duì)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(chǔ)備。實(shí)測橋梁基頻5.18Hz，較好的彎曲剛度。模態(tài)及頻率的實(shí)測結(jié)果與計(jì)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(duì)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(duì)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(dòng)位移與動(dòng)應(yīng)變最大值均未超過限值。跑車、剎車試驗(yàn)的沖擊系數(shù)小于按橋梁基頻計(jì)算 出的沖擊系數(shù)，跳車試驗(yàn)系數(shù)稍大。4.新型組合鋼箱梁橋靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析模型

16、試驗(yàn)靜動(dòng)載試驗(yàn)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(jì)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(duì)剛度貢獻(xiàn)幾何參數(shù)材料參數(shù)5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)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(jì)算截面承載力撓度計(jì)算結(jié)合面剪力計(jì)算考慮波形鋼腹板的剪切變形受力性能計(jì)算方法5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)算方法研究三者結(jié)果較為接近，較高的精度。且理論計(jì)算結(jié)果值偏小，偏于安全。計(jì)算結(jié)果比較5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)算方法研究5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)算方法研究5.新型組合鋼箱梁橋受力性能計(jì)算方法研究 在公路I級(jí)設(shè)計(jì)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